Indice
INDICE
Introduzione……….………..………..IV
Capitolo 1
Sensori termici di portata per gas 1
1.1 Panoramica sui sensori di flusso termici………..2
1.2 Anemometri………. 2
1.3 Un cenno alle termocoppie………..11
1.3.1 Effetto Seebeck………..11
1.3.2 Utilizzo delle termocoppie………...13
1.4 Sensori a tempo di volo………...17
1.5 Sensori di flusso calorimetrici...20
Capitolo 2 Sensori di flusso calorimetrici: problematiche di progetto e soluzioni in letteratura 26
2.1 Cenno ai sensori termici di flusso calorimetrici macroscopici………27
2.2 Micro-termotrasferimento………29
2.2.1 Microcalorimetri………29
2.2.2 Sensori di temperatura...33
2.3 Influenza delle proprietà termofisiche dei materiali CMOS………...34
2.4 Ottimizzazione di un sensore termico di flusso………..37
2.4.1 Collocazione del riscaldatore e delle termopile………37
2.4.2 Influenza del package………...42
2.5 Effetto del tipo di gas sulla risposta del sensore……….45
2.6 Misura del flusso in due dimensioni (2D)……….. 47
2.7 Cenni alle tecniche di fabbricazione………...…51
2.7.1 Surface-Micromachining………..52
2.7.2 Bulk-Micromachining………...53
I
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Capitolo 3
Simulazioni FEMLAB
®3.1 di sensori termici di portata 56
3.1 Il nostro sensore………...………57
3.1.1 Analisi 3D………..59
3.1.2 Analisi 2D………..66
3.2 Influenza dei parametri caratteristici di un gas sulla risposta del sensore...…88
3.3 Variazione di potenza fornita al riscaldatore………...93
3.4 Influenza della geometria del sensore sulla caratteristica d’uscita…………..94
3.4.1 Variazione della distanza fra il riscaldatore e le termopile (LG)……..95
3.4.2 Variazione dell’estensione delle termopile sul substrato……….102
3.4.3 Scaling delle dimensioni del sensore………...104
3.5 Influenza della geometria del canale sul segnale d’uscita……….108
3.6 Influenza della distanza fra il sensore ed il bordo del chip………112
3.7 Influenza del packaging sulla risposta del sensore………114
3.7.1 Assenza del piano di separazione (LCCS-package)………....116
3.8 Effetto di una differenza di temperatura fra il substrato di silicio ed il gas incidente………124
Capitolo 4 Dipendenza dalla pressione 128
4.1 Conduzione termica nei gas………...129
4.2 Meccanismo della conduzione termica in regime viscoso……….130
4.3 Conduzione libera molecolare: considerazioni generali……...……….131
4.4 Energia di una molecola di gas………..131
4.5 Definizione del fattore di accomodamento α………...132
4.6 Trasferimento di energia da una superficie ad un gas in regime molecolare….134 4.7 Conduzione di calore fra due superfici piane infinite in regime molecolare….136 4.8 Conduzione di calore fra 2 superfici piane infinite nel regime indicato con Temperature Jump……….140
4.9 Conduzione di calore fra 2 superfici piane infinite nel regime di transizione...143
II
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4.10 Pressione di transizione………..….…..144
4.11 Fattori che influenzano il valore del coefficiente di accomodamento…...…....145
4.11.1 Influenza della struttura della superficie e dei layers adsorbiti….……146
4.11.2 Influenza della temperatura della superficie……….…….148
4.11.3 Influenza della velocità delle molecole di gas incidenti………….…...149
4.11.4 Influenza della pressione……….……..149
4.11.5 Influenza dell’energia interna delle molecole di gas……….……149
4.12 Teorie analitiche per il calcolo del fattore di accomodamento………..150
4.13 Calcolo della pressione di transizione e del fattore di accomodamento: risultati in letteratura e test sul sensore di flusso in esame………151
Conclusioni………...161
Appendice A………..……….……….164
Appendice B……….……...172
Appendice C……….……...174
Bibliografia………...………180
III
