• Non ci sono risultati.

Distribuzione della temperatura in presenza di due fili tra loro paralleli

Abbiamo considerato di interesse solo il segnale 𝛿𝑇(π‘₯, 0) poichΓ© abbiamo considerato il filo di spessore nullo in 𝑧 = 0. Se un filo Γ¨ in posizione π‘₯ = 0, 𝑧 = 0 ed il secondo in posizione π‘₯ = π‘Ž, 𝑧 = 0 allora l’influenza del primo sul secondo Γ¨ di entitΓ  𝛿𝑇(π‘Ž, 0), mentre l’entitΓ  del secondo sul primo Γ¨ di 𝛿𝑇(βˆ’π‘Ž, 0) = βˆ’π›Ώπ‘‡(π‘Ž, 0) (vedremo infatti che questa funzione Γ¨ antisimmetrica e proprio la sua asimmetria consente di ottenere un segnale differenziale). Il sensore misura proprio questa variazione di temperatura: possiamo quindi considerare la temperatura statica in assenza di convezione forzata e ad essa aggiungere un termine dovuto alla convezione. Dal cap. 2 avevamo infatti ottenuto la temperatura statica come:

49

𝑇(π‘₯, 0, 𝑧) β‰ˆ βˆ’ 𝑃

2πœ‹ βˆ™ π‘˜ βˆ™ π‘™π‘¦βˆ™ 𝑙𝑛 ( 𝜌

𝑙𝑦) (3.63)

Possiamo quindi considerare la temperatura totale come somma di quella statica non perturbata piΓΉ la variazione dovuta a convezione:

𝑇1(π‘₯) = 𝑇(π‘₯, 0) + 𝛿𝑇(π‘₯, 0) (3.64)

𝑇2(π‘₯) = 𝑇(π‘₯ βˆ’ π‘Ž, 0) + 𝛿𝑇(π‘₯ βˆ’ π‘Ž, 0) (3.65)

Ed il profilo della temperatura completa puΓ² essere scritto come:

𝑇(π‘₯) = 𝑇1(π‘₯) + 𝑇2(π‘₯) (3.66)

Vediamo ora un esempio (fig. 3.1) di rappresentazione grafica nella sovrapposizione di queste funzioni:

Figura 3.1: Distribuzione della temperatura dovuta ad un solo filo (c) come somma della temperatura statica (b) e del termine dovuto a convezione (a).

La funzione (a) rappresenta la perturbazione 𝛿𝑇(π‘₯, 0) che si vede essere antisimmetrica rispetto all’origine. Nel caso in cui la velocitΓ  del fluido sia diretta verso l’asse positivo delle π‘₯, avremo un

50

massimo a destra dello zero. Nel caso in cui la direzione in cui si muove il fluido sia opposta, il massimo della perturbazione si sposterΓ  a sinistra.

3.3.1 Origine del segnale differenziale del sensore

Ipotizzando ora di aggiungere il secondo filo, la distribuzione totale della temperatura (considerando 𝑣 positiva) ha l’aspetto della fig. 3.2:

Figura 3.2: Profilo della temperatura lungo l’asse x (z=0) in presenza di perturbazione del profilo statico dovuto ad aria in movimento.

Dalla figura si vede che il profilo (1) (dovuto al primo filo) ed il profilo (2) (dovuto al secondo filo) presentano la stessa asimmetria dovuta al fatto che la velocitΓ  del fluido Γ¨ per entrambi i fili positiva (rivolta lungo l’asse π‘₯). Difatti, prendendo ad esempio in esame il primo filo, su di esso agiscono i seguenti contributi di temperatura:

𝑇1(π‘₯) = 𝑇′(π‘₯) +𝛿𝑇′(0,0)+ 𝛿𝑇′′(0,0) (3.67)

Dove:

β€’ 𝑇1(π‘₯) Γ¨ il profilo totale di temperatura espressa in Kelvin in prossimitΓ  del primo filo (π‘₯ = 0),

β€’ 𝛿𝑇′(0,0) Γ¨ il contributo della convezione forzata (alterazione della temperatura statica) dovuta

all’aria in movimento totale del primo filo (π‘₯ = 0),

β€’ 𝛿𝑇′′(0,0) Γ¨ il contributo della convezione forzata (alterazione della temperatura statica)

dovuta all’aria in movimento totale del secondo filo in prossimitΓ  del primo filo (π‘₯ = 0), β€’ 𝑇′(π‘₯) Γ¨ la temperatura statica, trascurando l’effetto convettivo, dovuta al solo fenomeno della

conduzione del calore (dovuta alla sorgente termica del filo percorso da corrente). Stesse considerazioni possono essere fatte anche per il secondo filo, difatti avremo:

51

𝑇2(π‘₯) = 𝑇′′(π‘₯) +𝛿𝑇′′(π‘Ž, 0)+ 𝛿𝑇′(π‘Ž, 0) (3.68)

β€’ 𝑇2(π‘₯) Γ¨ il profilo totale di temperatura espressa in Kelvin nella posizione del secondo filo (π‘₯ =

π‘Ž),

β€’ 𝑇′′(π‘₯) Γ¨ la temperatura statica, trascurando l’effetto convettivo, dovuta al solo fenomeno della conduzione del calore (dovuta alla sorgente termica del filo percorso da corrente).

β€’ 𝛿𝑇′(π‘Ž, 0) Γ¨ il contributo della convezione forzata (alterazione della temperatura statica)

dovuta all’aria in movimento totale del primo filo (𝑖𝑛 π‘₯ = π‘Ž),

β€’ 𝛿𝑇′′(π‘Ž, 0)Γ¨ il contributo della convezione forzata (alterazione della temperatura statica)

dovuta all’aria in movimento del secondo filo (π‘₯ = π‘Ž),

Per calcolare l’entitΓ  del segnale si ricorda che il segnale utile Γ¨ dato dalla differenza di temperatura tra i due fili:

βˆ†π‘‡ = 𝑇2(π‘₯)βˆ’ 𝑇1(π‘₯)

= 𝑇′′(π‘₯) +𝛿𝑇′′(π‘Ž, 0)+ 𝛿𝑇′(π‘Ž, 0)βˆ’(𝑇′(π‘₯) +𝛿𝑇′(0,0)+ 𝛿𝑇′′(βˆ’π‘Ž, 0)) (3.69)

Nell’ipotesi che la potenza 𝑃 lungo il filo sia la stessa, ed anche la lunghezza 𝑙𝑦 dei fili sia la stessa, poichΓ© si ricorda che:

𝑇(π‘₯) β‰ˆ βˆ’ 𝑃

2πœ‹ βˆ™ π‘˜ βˆ™ π‘™π‘¦βˆ™ 𝑙𝑛 ( π‘₯

𝑙𝑦) (3.70) Si puΓ² concludere che:

𝑇′′(π‘₯) = 𝑇′(π‘₯) (3.71)

Per le stesse considerazioni possiamo anche concludere che, esaminando l’espressione ottenuta per 𝛿𝑇(π‘₯, 0) :

𝛿𝑇 ∝ 𝑃 βˆ™ 𝑣

2 βˆ™ π‘˜ βˆ™ 𝑙𝑦

(3.72)

52

Infine riscrivendo l’espressione del segnale utile e ricordandosi che 𝛿𝑇(π‘₯, 0) Γ¨ una funzione antisimmetrica rispetto all’origine:

βˆ†π‘‡ =𝑇2(π‘₯)βˆ’ 𝑇1(π‘₯)= 2 𝛿𝑇(π‘Ž, 0) (3.74)

Possiamo fornire una descrizione grafica qualitativa, volutamente esagerata nell’entitΓ  del segnale di interesse, per aiutare la comprensione del fenomeno. Come si vedrΓ  nel capitolo successivo, dove si tratta delle simulazioni del sensore, l’entitΓ  del segnale di interesse Γ¨ dell’ordine di qualche π‘šπΎ, mentre la temperatura statica di funzionamento Γ¨ prossima ai 600 𝐾, per cui la fig.3.3, riportata sotto, non corrisponde alla reale entitΓ  della variazione di temperatura indotta dall’onda acustica.

Figura 3.3: Rappresentazione grafica del segnale utile del sensore, rappresentato dalla variazione di temperatura termica dei due fili dovuta a convezione dell'aria (onda acustica in direzione x)

3.3.2 Considerazioni sulla funzione 𝛿𝑇(π‘₯, 0)

Vogliamo studiare l’andamento della funzione 𝛿𝑇(π‘₯, 0) al variare di π‘₯ per trovare la distanza ottima nella quale porre i due fili riscaldati. Avevamo trovato una soluzione parziale per le π‘₯ positive del tipo: 𝛿𝑇(π‘₯, 0) = 𝑒𝑗2πœ‹π‘“π‘‘ π‘₯ 𝐷 βˆ™ π‘“βˆ™ 𝑣 𝑗 βˆ™ 𝑃 2 βˆ™ π‘˜ βˆ™ 𝑙𝑦 βˆ™ (1 βˆ’ βˆšπ‘—π‘“ 𝐾1(βˆšπ‘—π‘“)) (3.75)

Si deve perΓ² considerare l’effetto anche sul semipiano negativo (π‘₯ < 0), per cui l’espressione completa valida βˆ€π‘₯ Γ¨ la seguente:

𝛿𝑇(π‘₯, 0) = 𝑒𝑗2πœ‹π‘“π‘‘ 𝑣 𝑗2πœ‹π‘“βˆ™ 𝑃 2 βˆ™ π‘˜ βˆ™ 𝑙𝑦 βˆ™1 π‘₯βˆ™ (1 βˆ’ βˆšπ‘— 2πœ‹π‘“ 𝐷 |π‘₯| 𝐾1(βˆšπ‘— 2πœ‹π‘“ 𝐷 |π‘₯|)) (3.76)

53

Riportando il grafico della parte reale di questa espressione (ovvero quella che ha un significato fisico) notiamo la presenza di un unico massimo, come si osserva dalla fig.3.4:

Figura 3.4: Andamento della parte reale di 𝛿𝑇(π‘₯, 0), si nota che la funzione Γ¨ antisimmetrica rispetto alla zero, tende a zero per π‘₯ β†’ 0 e presenta un unico massimo.

Figura 3.5: Profilo di 𝛿𝑇(π‘₯, 0) su un intervallo piΓΉ ampio dell’asse x, in particolare si nota che tende a zero per π‘₯ β†’ ∞.

Appare quindi chiaro, e vedremo che ciΓ² sarΓ  confermato dalle simulazioni, che i fili devono essere posti ad una distanza che corrisponde al massimo della funzione 𝛿𝑇(π‘₯, 0) per avere la massima ampiezza del segnale fisico utile. Tale distanza perΓ² deve essere calcolata una volta fissata la frequenza sulla quale ci aspettiamo che il segnale acustico abbia la maggior parte del suo contenuto informativo. Tale massimo spaziale infatti dipende anche dalla frequenza, in particolare studiando la funzione 𝛿𝑇 all’aumentare della frequenza del segnale acustico, il massimo si avvicina a π‘₯ = 0. Studiamo i limiti a zero e ad infinito del segnale utile per verificare che siano indipendenti dalla frequenza. In particolare usando la proprietΓ  della funzione di Bessel modificata del secondo tipo per la quale:

54

π‘™π‘–π‘šπ‘₯β†’0 𝐾1(𝑧) =

1

𝑧 π‘π‘œπ‘› 𝑧 πœ– 𝕔 (3.77)

Si conclude che considerando ad esempio le π‘₯ > 0:

π‘™π‘–π‘šπ‘₯β†’0𝑅𝑒 {𝑒𝑗2πœ‹π‘“π‘‘ 𝑣 𝑗2πœ‹π‘“βˆ™ 𝑃 2 βˆ™ π‘˜ βˆ™ 𝑙𝑦 βˆ™1 π‘₯βˆ™ (1 βˆ’ βˆšπ‘— 2πœ‹π‘“ 𝐷 |π‘₯| 𝐾1(βˆšπ‘— 2πœ‹π‘“ 𝐷 |π‘₯|))} = π‘™π‘–π‘šπ‘₯β†’0𝑅𝑒 { 𝑒𝑗2πœ‹π‘“π‘‘ 𝑣 𝑗2πœ‹π‘“βˆ™ 𝑃 2 βˆ™ π‘˜ βˆ™ π‘™π‘¦βˆ™ 1 π‘₯βˆ™ ( 1 βˆ’ βˆšπ‘—2πœ‹π‘“ 𝐷 π‘₯ βˆ™ 1 βˆšπ‘—2πœ‹π‘“π· π‘₯)} = 0 (3.78)

Per il comportamento ad una distanza molto lontana dal filo otteniamo invece, sfruttando una seconda proprietΓ  della funzione di Bessel in esame:

π‘™π‘–π‘šπ‘₯β†’βˆž 𝐾1(𝑧) = 0 π‘π‘œπ‘› 𝑧 πœ– 𝕔 (3.79) π‘™π‘–π‘šπ‘₯β†’βˆžπ‘…π‘’ {𝑒𝑗2πœ‹π‘“π‘‘ 𝑣 𝑗2πœ‹π‘“βˆ™ 𝑃 2 βˆ™ π‘˜ βˆ™ π‘™π‘¦βˆ™ 1 π‘₯βˆ™ (1 βˆ’ βˆšπ‘— 2πœ‹π‘“ 𝐷 |π‘₯| 𝐾1(βˆšπ‘— 2πœ‹π‘“ 𝐷 |π‘₯|))} = π‘™π‘–π‘šπ‘₯β†’βˆžπ‘…π‘’ {𝑒𝑗2πœ‹π‘“π‘‘ 𝑣 𝑗2πœ‹π‘“βˆ™ 𝑃 2 βˆ™ π‘˜ βˆ™ π‘™π‘¦βˆ™ 1 π‘₯} = 0 (3.80)

Il comportamento della funzione 𝛿𝑇(π‘₯, 0) nella posizione del filo ed anche molto lontano dal filo non dipende quindi dalla frequenza, il cui unico effetto, quando questa varia, Γ¨ quello di muovere il punto di massimo. Si tiene a precisare che la presenza del massimo Γ¨ dovuto al fatto di aver considerato anche l’effetto della diffusione del calore. Se avessimo considerato solo l’effetto della convezione forzata (proporzionale al gradiente della temperatura statica) l’equazione iniziale si sarebbe semplificata come segue:

55

Avremmo avuto come soluzione (basta annullare il termine proporzionale a 𝐷 nell’equazione completa): 𝛿𝑇(π‘₯, 0) = 𝑒𝑗2πœ‹π‘“π‘‘ 𝑣 𝑗2πœ‹π‘“βˆ™ 𝑃 2 βˆ™ π‘˜ βˆ™ π‘™π‘¦βˆ™ 1 π‘₯ (3.82)

Quindi per assurdo avremmo avuto come posizione ottima in cui collocare il secondo filo la stessa posizione del primo filo (i due sensori cortocircuitati). In realtΓ  la conduzione del calore si oppone all’effetto della convezione cercando di riportare i due fili alla stessa temperatura, per cui per piccole distanze prevale sul termine convettivo, tanto che nell’origine la convezione ha effetto nullo (contrariamente alla soluzione errata prima riportata). La presenza del massimo Γ¨ poi dovuta al fatto che a grande distanza l’effetto della conduzione del calore svanisce ma anche il termine convettivo tende naturalmente a zero.

3.3.3 Esempio di dimensionamento di un sensore

Si vuole trovare l’entitΓ  del massimo nelle seguenti condizioni operative tipiche per questi sensori: β€’ Potenza dissipata lungo il filo 𝑃 = 0,5 π‘šπ‘Š

β€’ Vogliamo il massimo alla frequenza di 40 π‘˜π»π‘§, si pone quindi 𝑓 = 40 π‘˜π»π‘§ β€’ Il coefficiente (per ipotesi indipendente dalla temperatura) π‘˜ = 2.6 βˆ™ 10βˆ’2 [ π‘Š

π‘šβˆ™πΎ]

β€’ VelocitΓ  dell’aria pari ad una potenza sonora di 100 𝑑𝐡, 𝑣 = 0.001 [π‘š 𝑠]

β€’ Lunghezza del filo 𝑙𝑦 = 50 βˆ™ 10βˆ’6π‘š

β€’ 𝐷 = π‘˜

πœŒβˆ™π‘ β‰ˆ 2 βˆ™ 10 βˆ’5 [π‘š2

𝑠 ] 𝑖𝑛 π‘Žπ‘Ÿπ‘–π‘Ž

Con questi valori otteniamo:

𝐴 = 𝑣 2πœ‹π‘“βˆ™

𝑃

2 βˆ™ π‘˜ βˆ™ 𝑙𝑦 = 3.37 βˆ™ 10

βˆ’6 [π‘šπΎ βˆ™ π‘š]

Da una rappresentazione grafica della (3.75) con questi dati otteniamo:

Figura 3.6: Esempio di distribuzione del disturbo di temperatura dovuto a convezione per movimento dell'aria su un singolo filo. Sull’asse verticale la temperatura espressa in Kelvin, su quello orizzontale la distanza dal filo in metri. Si nota che il massimo per f=40 kHz Γ¨ intorno ai 8 πœ‡π‘š.

56

Dal grafico si deduce che il punto di massimo della funzione 𝛿𝑇(π‘₯, 0) si ha intorno ai 8 πœ‡π‘š, questo valore conferma che dai fenomeni convettivi a frequenze ultrasoniche Γ¨ possibile estrarre un segnale utile se la distanza tra i fili Γ¨ dell’ordine di qualche πœ‡π‘š, massimo qualche decina. Il valore del massimo conferma l’ipotesi iniziale π‘‡π‘ π‘‘π‘Žπ‘‘π‘–π‘π‘Ž ≫ 𝛿𝑇, nonostante il valore ricavato dalla simulazione

sia circa 10 volte minore: questo Γ¨ dovuto al fatto di aver considerato i fili privi di spessore e quindi di aver trascurato la capacitΓ  termica di ciascun filo verso la temperatura di riferimento. SarΓ  invece dimostrato, grazie alle simulazioni numeriche, che la capacitΓ  termica di ciascun filo introduce un polo termico che agisce a frequenze che interessano la banda ultrasonica. Per questo motivo non puΓ² essere trascurato per la determinazione del massimo 𝛿𝑇, dato che il valore reale sarΓ  inferiore a quello teorico, che non tiene conto della presenza dell’inerzia termica dei sensori. Pertanto la (3.75) puΓ² rappresentare un buon punto di partenza per la progettazione di questi sensori, poichΓ© ci indica con una buona precisione quale possa essere la distanza del secondo filo dal primo per ottenere il massimo del segnale differenziale (devono essere noti da progettazione i dati sopra riportati). Si nota inoltre che il massimo Γ¨ proporzionale alla velocitΓ  del fluido, diminuisce all’aumentare della frequenza e sempre all’aumentare di quest’ultima si avvicina all’origine (i fili devono essere progettati piΓΉ vicini tra loro).

57

Capitolo 4

Simulazione, progetto dei sensori APV ultrasonici e

confronto con i risultati teorici

In questo capitolo vengono presentati i risultati delle simulazioni numeriche ricavati col software COMSOL Multiphysics, allo scopo di massimizzare la variazione di temperatura 𝛿𝑇 (introdotta nel precedente capitolo) in conseguenza di una perturbazione acustica a frequenze ultrasoniche. Vengono dapprima giustificate le scelte progettuali utili al raggiungimento di questo risultato, analizzando la risposta in frequenza tipica di 𝛿𝑇 per queste strutture al fine di comprendere i fenomeni fisici che la determinano. Alcuni risultati vengono poi confrontati con quelli teorici ottenuti nel capitolo precedente per analizzare le cause delle analogie e delle diversitΓ . Vengono poi proposte tre diverse strutture per lo stesso sensore e mostrato il dimensionamento ottimo per raggiungere lo scopo prefissato di massimizzare 𝛿𝑇(𝑓) nelle frequenze di interesse.

4.1 Introduzione

Nel precedente capitolo Γ¨ stata trovata un’espressione analitica della variazione di temperatura indotta nei fili dalla sollecitazione acustica. Data la complessitΓ  del fenomeno fisico erano state introdotte alcune approssimazioni: a) i fili erano stati considerati privi di spessore, il che porta a trascurare la capacitΓ  termica dei materiali da cui sono costituiti. Aver inoltre considerato la potenza dissipata dai fili concentrata in uno spessore nullo porta la soluzione (che descrive la distribuzione statica di temperatura) a divergere (temperatura infinita) in prossimitΓ  del filo. b) Per semplificare l’analisi delle equazioni differenziali era stato trascurato l’effetto della temperatura sulla conducibilitΓ  termica dell’aria (assunta costante al variare della temperatura): in realtΓ  𝐾(𝑇) aumenta all’aumentare della temperatura, questo significa che secondo il postulato di Fourier: (π‘ž = βˆ’πΎ(𝑇) βˆ™ 𝛻𝑇) l’aria diventa piΓΉ conduttiva all’aumentare della temperatura (si incrementa il fenomeno della conduzione termica a scapito della convezione forzata). c) Altri fattori che possono avere delle conseguenze sul segnale utile come la distanza dei fili dal substrato o l’effetto della parete degli stessi sul moto del fluido in movimento, sono state completamente trascurate. Tuttavia erano state ricavate delle relazioni su alcuni parametri liberi utili a scopo progettuale, in particolare:

β€’ Sia la temperatura statica sia la variazione dinamica di temperatura indotta dall’onda acustica aumentano in modo proporzionale all’aumentare della potenza dissipata dal filo;

β€’ La velocitΓ  delle particelle in movimento Γ¨ direttamente proporzionale alla differenza di temperatura tra i due fili;

β€’ Se approssimato come un sistema al primo ordine, il polo termico dovuto alla conduzione di calore tra i due fili Γ¨ proporzionale al quadrato della distanza tra i due sensori, per cui se si vuole che il sensore risponda in un intervallo frequenziale piΓΉ esteso Γ¨ conveniente diminuire la distanza tra i fili.

58

4.1.1. Considerazioni sulla risposta in frequenza

Si vuole studiare con l’ausilio delle simulazioni la funzione che descrive la differenza di temperatura tra i fili 𝛿𝑇 sia al variare della frequenza, sia della distanza tra i cantilever sui quali sono deposti i fili. Si procede dapprima ottimizzando la distanza tra i due fili sensibili alla perturbazione acustica in modo da ottenere quella che massimizza la 𝛿𝑇(𝑓) per una frequenza di stimolo acustico fissata: imponendo una frequenza ultrasonica (40 πΎβ„Žπ‘§) e variando la distanza, si cerca quella che offre l’ampiezza maggiore della variazione di temperatura in transitorio tra i due cantilever. Sono state quindi eseguite delle simulazioni preliminari sulla versione del sensore in solo polisilicio (che si vedrΓ  in seguito essere quella che a paritΓ  di parametri di progetto offre la 𝛿𝑇 piΓΉ elevata a frequenze ultrasoniche) allo scopo di determinare la distanza ottima tra i due fili riscaldati:

Figura 4.1: Grafico della variazione media di temperatura interna ai fili per effetto della perturbazione acustica (imposta a frequenza costante di 40 KHz). Si nota che il massimo si ha per d=22 πœ‡π‘š.

Si osserva dalla fig. 4.1 che la distanza che massimizza 𝛿𝑇 si ottiene per 22 πœ‡π‘š. Si assumerΓ  quindi di qui in avanti che la distanza tra i cantilever abbia questo valore. Variando questo parametro (ottimizzato come giΓ  specificato per frequenze ultrasoniche) infatti gli studi seguenti potrebbero variare significativamente nei risultati ottenuti. Nella fig. 4.2 viene riportato l’andamento di 𝛿𝑇 al variare della frequenza del segnale acustico di stimolo, ottenendo quindi, per varie decadi, la risposta in frequenza della variazione di temperatura dinamica tra i due fili. Si tiene a precisare che il seguente grafico Γ¨ stato ottenuto con i seguenti parametri di progetto:

β€’ Lunghezza del filo di polisilicio 𝑙𝑦 = 50 πœ‡π‘š,

59

β€’ Larghezza dei fili di polisilicio (dove viene dissipata potenza per effetto Joule) π‘Šπ‘ = 0.4 πœ‡π‘š, β€’ Larghezza del dielettrico che ricopre il polisilcio π»π‘œπ‘₯ = 1 πœ‡π‘š,

Figura 4.2: Andamento tipico della risposta in frequenza della differenza di temperatura tra i due fili.

4.1.2 Effetti degli strati limite di temperatura su 𝛿(𝑓)

Nella risoluzione delle equazioni differenziali che portavano all’espressione di 𝛿𝑇 nel cap.3, era stata trascurata l’ampiezza dei fili (assunti di dimensione nulla) ed il conseguente effetto che questi avevano sul moto del fluido. L’onda acustica stessa aveva una fase ed un modulo della velocitΓ  imposti costanti nello spazio (per semplificarne la risoluzione analitica) ma variabile nel tempo e si propagava lungo una sola direzione (π‘₯Μ‚). Era stato infatti imposto che il vettore velocitΓ  del fluido fosse del tipo:

v = (v0cos (2Ο€f0t)

0 ) (in tutto lo spazio di propagazione dell

β€²onda acustica) (4.1)

Si vuole dimostrare che la presenza di pareti solide (quindi il filo non ha sezione infinitesima) ha in realtΓ  conseguenze sul profilo della risposta in frequenza. Quando un’onda acustica si propaga in un gas in presenza di una parete solida, si creano nel fluido quelli che vengono chiamati strati limite di velocitΓ  e strato limite termico. La stessa documentazione di COMSOL Multiphysics [10] fornisce una formula per la determinazione approssimata della lunghezza degli strati limite di temperatura:

60

𝐿𝑇 = 2πœ‹βˆš π‘˜

πœ‹πœŒ0𝑓𝐢𝑝 (4.2)

PoichΓ© la distanza tra i sensori Γ¨ dello stesso ordine della lunghezza d’onda termica, questa si riduce all’aumentare della frequenza aumentando la differenza di temperatura tra i fili. Tale fenomeno si traduce nell’introduzione di un andamento a rampa nella risposta in frequenza: inizia a salire alla frequenza per la quale la lunghezza d’onda termica diventa comparabile con la distanza tra i fili riscaldati, smette di salire quando la distanza tra i fili Γ¨ tale da superare 𝐿𝑇 e quindi da far saturare la

differenza di temperatura tra di essi. Cerchiamo un’espressione approssimata della distribuzione della temperatura lungo l’asse π‘₯, in direzione ortogonale ad una parete piana a temperatura uniforme 𝑇0, conoscendo la temperatura sulla parete piana infinita a π‘₯ = 0. Si risolve l’equazione del calore monodimensionale (4.3):

πœ•π‘‡

πœ•π‘‘ βˆ’ 𝐷 βˆ™ πœ•π‘₯

2𝑇 = 0 (4.3)

assumendo che la temperatura abbia un andamento generale del tipo 𝑇(π‘₯, 𝑑) = 𝑇(π‘₯)𝑒𝑗2πœ‹π‘“π‘‘ armonico sulla parete in π‘₯ = 0 del tipo:

𝑇(π‘₯ = 0, 𝑑) = 𝑇0𝑒𝑗2πœ‹π‘“π‘‘ (4.4)

In modo analogo a quanto fatto nel cap.3, si ottiene una soluzione nella forma:

𝑇(π‘₯) = 𝛼1π‘’π‘˜π‘₯ + 𝛼

2π‘’βˆ’π‘˜π‘₯ (4.5)

Imponendo come condizione al contorno la (4.4) e concentrandosi nel semipiano π‘₯ > 0 (𝑇 = 0 per π‘₯ β†’ +∞ ) si ottiene una soluzione del tipo:

𝑇(π‘₯) = 𝑇0π‘’βˆ’π‘˜π‘₯ (4.6) Dove: π‘˜ = βˆšπ‘—2πœ‹π‘“ 𝐷 = 1 + 𝑗 √2 √ 2πœ‹π‘“ 𝐷 (4.7)

61

Quindi la temperatura decade esponenzialmente dalla parete in direzione π‘₯:

𝑇(π‘₯) = 𝑇0π‘’βˆ’βˆš 2πœ‹π‘“ 𝐷 π‘₯ (4.8) Per π‘₯ = 𝐿𝑇 β‰œ 2πœ‹ (√2πœ‹π‘“ 𝐷 ) βˆ’1

si calcola il valore dell’esponenziale ottenendo:

𝑇0π‘’βˆ’βˆš

2πœ‹π‘“ 𝐷 𝐿𝑇

β‰ˆ 0.002𝑇0 (4.9)

Possiamo quindi considerare 2πœ‹ (√2πœ‹π‘“

𝐷 ) βˆ’1

= 2πœ‹βˆšπœ‹πœŒπ‘˜

0𝑓𝐢𝑝 la lunghezza d’onda termica entro la quale

la temperatura diminuisce di circa 500 volte rispetto al valore in π‘₯ = 0, che Γ¨ lo stesso risultato fornito dalla documentazione di COMSOL della (4.2). Calcolando la lunghezza d’onda per i valori tipici utilizzati nella progettazione si ottiene valori di qualche decina di πœ‡π‘š, inoltre appare evidente dalla (4.2) che la lunghezza d’onda diminuisca con la frequenza. Lo strato limite di velocitΓ  e di temperatura sono legati da una costante indipendente dalla frequenza, detta costante di Prandtl, poichΓ© 𝐿𝑣 = βˆšπ‘ƒπ‘ŸπΏπ‘‡: a temperature di 500 𝐾 si ha βˆšπ‘ƒπ‘Ÿ β‰ˆ 0.83, e al variare della temperatura varia

debolmente. Una volta determinato 𝐿𝑇 Γ¨ facilmente calcolabile anche 𝐿𝑣, che sono comunque entrambi dello stesso ordine di grandezza e dipendenti dall’inverso della radice della frequenza.

4.1.3 Polo dovuto alla capacitΓ  termica del filo e dei dielettrici che lo circondano

È possibile analizzare un modello semplificato del sensore per dimostrare che ridurre la massa termica dei fili sospesi può essere utile ad estendere a frequenze più alte il segnale utile. A tale scopo utilizziamo una geometria rappresentata in fig. 4.3:

Figura 4.3: Modello semplificato della sezione del sensore per studiare la propagazione radiale del calore. In rosso Γ¨ rappresentato la regione conduttiva di polisilicio dove viene generata potenza termica, in blu lo strato di ossido ed in bianco l’aria che circonda i fili.

Si ipotizza che la potenza dissipata sia concentrata solamente nel cilindro interno che presenta sulla sua superficie una temperatura costante (che chiameremo π‘‡π‘šπ‘Žπ‘₯), che in analogia al caso reale Γ¨

62

rappresentato dal polisilicio in cui viene dissipata potenza per effetto Joule. Nel cilindro che riveste il filo di polisilicio, rappresentativo dell’ossido, non vi Γ¨ dissipazione di potenza. Il cilindro piΓΉ esterno Γ¨ invece rappresentativo dell’aria, che per ipotesi raggiunge la temperatura 𝑇0 sulla superficie piΓΉ esterna (la temperatura piΓΉ bassa del sistema in esame), tipicamente a distanze molto maggiori della sezione dell’ossido e del polisilicio (la fig. 4.3 non Γ¨ in scala). Si ipotizza inoltre che sia l’aria sia l’ossido siano omogenei (la conducibilitΓ  termica sia costante nello spazio e con la temperatura) e che il filo sia abbastanza lungo da poter trascurare gli effetti delle estremitΓ . Sotto queste ipotesi in regime stazionario il calore sviluppato nel polisilicio fluisce solo in direzione radiale ed Γ¨ lo stesso per ciascun cilindro cavo, pertanto puΓ² essere calcolata la resistenza termica equivalente del sistema:

π‘…π‘‘π‘œπ‘‘ = 𝑅1+ 𝑅2+ 𝑅3 = 𝑙𝑛 (π‘Ÿπ‘Ÿ2 1) 2πœ‹πΏπ‘˜π‘œπ‘₯ + 1 2πœ‹π‘Ÿ2β„ŽπΏ + 𝑙𝑛 (π‘Ÿπ‘Ÿ3 2) 2πœ‹πΏπ‘˜π‘Ž (4.10) Dove π‘˜π‘œπ‘₯ = 8 [ π‘Š

π‘šβˆ™πΎ] Γ¨ la conducibilitΓ  termica dell’ossido, π‘˜π‘Ž = 0.04 [ π‘Š

π‘šβˆ™πΎ] Γ¨ la conducibilitΓ  termica

dell’aria, 𝐿 = 200 πœ‡π‘š la lunghezza del filo (𝐿 ≫ π‘Ÿ1, π‘Ÿ2, π‘Ÿ3) e β„Ž = 500 il coefficiente di scambio

termico tra ossido ed aria dovuto a convezione naturale. Ponendo come valori π‘Ÿ1 = 0.2 πœ‡π‘š, π‘Ÿ2 = 0.5 πœ‡π‘š ed π‘Ÿ3 = 10 πœ‡π‘š otteniamo: 𝑅1 = 𝑙𝑛 (π‘Ÿπ‘Ÿ2 1) 2πœ‹πΏπ‘˜π‘œπ‘₯ β‰ˆ 91 [ 𝐾 π‘Š] (4.11) 𝑅2 = 1 2πœ‹π‘Ÿ2β„ŽπΏ β‰ˆ 3.2 βˆ™ 106[𝐾 π‘Š] (4.12) 𝑅3 = 𝑙𝑛 (π‘Ÿπ‘Ÿ3 2) 2πœ‹πΏπ‘˜π‘Ž β‰ˆ 78 βˆ™ 103[𝐾 π‘Š] (4.13)

Da cui si osserva che la componente resistiva dominante Γ¨ data dallo scambio convettivo. Se ora Γ¨ possibile eliminare lo strato di ossido la (4.10) diventa:

π‘…π‘‘π‘œπ‘‘ = 𝑅1+ 𝑅2 = 1 2πœ‹π‘Ÿ1β„ŽπΏ+ 𝑙𝑛 (π‘Ÿπ‘Ÿ3 1) 2πœ‹πΏπ‘˜π‘Ž (4.14)

che, poichΓ© π‘Ÿ1 < π‘Ÿ2 e π‘˜π‘Ž < π‘˜π‘œπ‘₯, Γ¨ sicuramente di entitΓ  maggiore della (4.10). In altre parole sia l’aver sostituito l’aria con l’ossido (che ha una conducibilitΓ  termica molto minore), sia l’aver ridotto la

63

superficie di scambio termico convettivo ha portato in entrambi i casi ad aumentare la resistenza termica verso la temperatura 𝑇0. A paritΓ  di potenza dissipata quindi π‘‡π‘šπ‘Žπ‘₯ raggiunge una temperatura di equilibrio maggiore nel secondo caso. PoichΓ© come giΓ  discusso nel cap.3 la perturbazione della temperatura (da cui deriva il segnale utile) Γ¨ direttamente proporzionale alla temperatura statica di funzionamento, a paritΓ  di potenza dissipata risulta conveniente ridurre, od eliminare del tutto, lo spessore dell’ossido. Ridurre le dimensioni del filo non ha perΓ² un vantaggio solo in termini di temperatura statica, poichΓ© anche il polo della differenza di temperatura dinamica 𝛿𝑇 dipende dalle dimensioni della sezione del filo sospeso. Infatti indicando con π‘Šπ‘œπ‘₯ e π»π‘œπ‘₯ la larghezza e l’altezza

dell’ossido, con (πœŒπΆπ‘)

π‘œπ‘₯ il prodotto tra la densitΓ  ed il calore specifico dell’ossido si puΓ² trovare

un’espressione approssimata del polo dovuto alla massa termica dei fili sensibili alle variazioni di temperatura [6]: 𝑓𝑐 = π·π‘Ž 2πœ‹π‘Šπ‘œπ‘₯π»π‘œπ‘₯ (πœŒπΆπ‘) π‘Ž (πœŒπΆπ‘) π‘œπ‘₯ (4.15)

Dove (πœŒπΆπ‘)π‘Ž Γ¨ invece il prodotto tra la densitΓ  ed il calore specifico dell’aria e π·π‘Ž la diffusivitΓ 

termica dell’aria. Risulta quindi necessario, al fine di spostare piΓΉ in alto possibile il polo dovuto alla massa termica del sensore, ridurre la sezione dei fili sospesi (π‘Šπ‘œπ‘₯βˆ™ π»π‘œπ‘₯). Questo puΓ² essere

tecnologicamente realizzabile attraverso un attacco dell’ossido del cantilever che riveste il polisilicio per ridurne lo spessore, fino eventualmente a rimuoverlo del tutto: in questo modo la sezione del filo viene ridotta al solo polisilicio.

Documenti correlati