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熱泵電加熱器但仍可以進(jìn)步提高
近年來，智能手機(jī)、可穿戴式設(shè)備的迅猛發(fā)展，極大地促進(jìn)了微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）加速度計(jì)市場(chǎng)需求量。微機(jī)械熱對(duì)流加速度計(jì)利用氣體自然對(duì)流在加速度作用下發(fā)生改變的原理研制，體積小、成本低，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗沖擊強(qiáng)度大等優(yōu)點(diǎn)， 近年來被美國(guó)、日本、葡萄牙、印度等多國(guó)研究機(jī)構(gòu)挖掘探索，通過不斷采用新材料、新工藝、微米（μm）乃至納米（nm）尺度以及更高的性能指標(biāo)對(duì)熱對(duì)流加速度計(jì)全面深入研究。本文對(duì)熱對(duì)流加速度計(jì)的現(xiàn)狀和發(fā)展進(jìn)行了綜述。
熱對(duì)流式加速度傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示，由封閉的單晶硅腔體、加熱器和一對(duì)對(duì)稱的溫度傳感器組成。加熱器（加熱元件）和溫度傳感器（熱敏元件）懸于硅腔體上方。當(dāng)敏感方向無(wú)加速度時(shí)，腔體內(nèi)的加熱氣體只在重力加速度的作用下發(fā)生對(duì)流，加熱器水平兩邊相等位置上的溫度傳感器溫度相等，無(wú)溫度差，輸出為零；敏感方向有加速度時(shí)，腔體內(nèi)的氣體在重力加速度和外來加速度的聯(lián)合作用下產(chǎn)生對(duì)流，此時(shí)兩個(gè)溫度傳感器出現(xiàn)溫度差，輸出產(chǎn)生差異，再經(jīng)惠斯通電橋轉(zhuǎn)換為電壓差輸出。
法國(guó)蒙彼利埃大學(xué)電子中心使用流體動(dòng)力學(xué)方程的數(shù)值分辨率研究了根據(jù)加熱器—檢測(cè)器間距離測(cè)定溫度分布和傳感器靈敏度，使用微加工硅的技術(shù)制造具有位于距離加熱器100μm、300μm、500μm的3對(duì)檢測(cè)器的熱對(duì)流加速度計(jì)。原理如下：加熱器沿著密封室的x軸產(chǎn)生對(duì)稱的溫度分布，圖2所示，2個(gè)溫度檢測(cè)器對(duì)稱地懸掛在加熱器的兩側(cè)。在沒有加速度的情況下，2個(gè)檢測(cè)器具有相同的溫度，而當(dāng)在敏感軸x方向上施加加速度時(shí)，由于不對(duì)稱的熱傳遞，在2個(gè)檢測(cè)器之間出現(xiàn)溫度差 ΔTdet。由于溫差因自由對(duì)流導(dǎo)致，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一個(gè)簡(jiǎn)單的模型，表明熱對(duì)流加速度計(jì)的響應(yīng)與格拉斯霍夫數(shù)Gr呈線性Gr = (aρ2βΔTl3) /μ2，式中a為地球重力上的加速度，ρ為氣體密度，β為氣體膨脹系數(shù)，ΔT為氣體和加熱器溫度之間的溫差，l為線性尺寸，μ為氣體粘度。
結(jié)果表明，傳感器靈敏度或兩個(gè)對(duì)稱檢測(cè)器之間的溫差ΔTdet對(duì)于300μm的距離時(shí)，熱對(duì)流加速度計(jì)是的，而實(shí)驗(yàn)值更接近μm。
，設(shè)計(jì)了1只六面體腔型微機(jī)械熱對(duì)流加速度計(jì)，加速度計(jì)封裝在10mm × 5mm × 5mm的硅殼內(nèi)，加熱元件和熱敏元件布置在同一水平線上，加熱元件布置在空腔中心位置，熱敏元件對(duì)稱放置。
分析過程中， 以代表性的 0、1、10、25、50 gn分別作為輸入的加速度，采用數(shù)值分析的方法獲取腔體內(nèi)的溫度場(chǎng)分布。進(jìn)而獲得對(duì)稱分布的熱敏元件的溫差ΔT，如圖3所示，ΔT越大，在相同加速度輸入的情況下，加速度計(jì)感受到的溫差越大，信號(hào)輸出越明顯。由圖中看出加速度計(jì)內(nèi)熱敏元件與加熱元件的距離為0.425～0.450mm，在此區(qū)間加速度計(jì)具有的靈敏度。
2016年，印度理工學(xué)院克勒格布爾分學(xué)院電子和電氣通信工程系的3位研究者，提出了一種熱對(duì)流加速度計(jì)，包括1個(gè)中央加熱器和4個(gè)溫度探測(cè)器（熱敏電阻器），熱泵電加熱器加熱器對(duì)稱放置在4個(gè)懸掛的腔體中間。加熱器由中央加熱器框架和4個(gè)支撐梁組成，加熱器和溫度檢測(cè)器由多晶硅制成，置于空腔中。采用氣密密封以阻止空氣與外界流動(dòng)，從而在密閉空腔中產(chǎn)生強(qiáng)制對(duì)流。
設(shè)計(jì)和模擬了3種不同的加熱器結(jié)構(gòu)，以提高加速度計(jì)的性能：曲折形、十字形和方環(huán)形。所有加熱器尺寸均為0.1mm × 0.1mm，每個(gè)加熱器臂寬為0.01mm，厚度為0.002mm。所有結(jié)構(gòu)的加速度計(jì)的腔體大小和外部空氣體積均相同。
曲折形加熱器產(chǎn)生的溫度限制在中心區(qū)域。由于溫度檢測(cè)器放置在加熱器和腔邊緣之間，熱泵電加熱器無(wú)法實(shí)現(xiàn)更高的靈敏度。曲折形加熱器靈敏度較低的另一個(gè)原因是其阻礙空腔內(nèi)空氣的自由流動(dòng)。
十字形結(jié)構(gòu)在延伸側(cè)而不是中心處產(chǎn)生溫度。然而，盡管整個(gè)面積（0.1mm × 0.1mm）保持與前者相同，但十字的4個(gè)角已經(jīng)延伸到了0.06mm，使得溫度更靠近檢測(cè)器。該加熱器的中心框架是中空的，并且十字形中心的拐角處設(shè)計(jì)的很寬，以便減小結(jié)構(gòu)對(duì)空腔內(nèi)空氣流動(dòng)的阻礙，從而提高裝置靈敏度。與曲折形加熱器相比，盡管十字形加熱器已經(jīng)具有更高的靈敏度，但仍可以進(jìn)一步提高。方環(huán)形加熱器中間的中空部分使密閉的空氣在空腔內(nèi)可以自由流動(dòng)。與前述結(jié)構(gòu)相比，由于溫度分布于加熱器中心框架的周邊以及支撐梁之間，這種設(shè)計(jì)在3種結(jié)構(gòu)中具備的靈敏度。
為3只加熱器的溫度曲線對(duì)比。由圖可見，方環(huán)形加熱器的溫度在加熱器和腔壁之間緩慢降低，如果在加熱器框架和腔壁中間放置溫度檢測(cè)器，則方環(huán)形加熱器將感測(cè)到更的溫度梯度。因此，方環(huán)形加熱器的靈敏度較其他2種加熱器高得多。
葡萄牙的米尼奧大學(xué)聚合物及復(fù)合材料研究所和國(guó)家伊比利亞納米技術(shù)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合研發(fā)，使用聚合物和硅平面微加工技術(shù)的組合制造工藝，制造完全集成的三軸熱對(duì)流加速度計(jì)。具有低熱導(dǎo)率的聚合物（聚苯乙烯和聚酰亞胺）改善了熱對(duì)流加速度計(jì)的功率消耗，并且制造簡(jiǎn)單且成本低。該三軸加速度計(jì)結(jié)構(gòu)由4個(gè)聚合物部分（兩端以及兩個(gè)相同的中心部分）和3個(gè)連接的聚合物膜（2個(gè)相同的z軸膜和中心膜）組成。
該研究采用增加施加電流測(cè)量加熱器電阻值的方法，圖5為加熱器電阻值的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)電流增加時(shí)，加熱器電阻值由于溫度的增加（由焦耳效應(yīng)引起）而增加。從已有的3D耦合FEM-CFD模型中獲取沿著加熱器的溫度變化曲線， 并且使用電阻溫度系數(shù)為2.2×10?3/K（通過實(shí)驗(yàn)獲得）的鋁作為加熱電阻器?；跍y(cè)量電阻值，圖中顯示了估計(jì)的加熱器的中心溫度。結(jié)果與模擬值很接近，60mA的電流能產(chǎn)生580K的溫度。
目前，熱泵電加熱器基于熱對(duì)流式原理的MEMS加速度計(jì)已經(jīng)在智能手機(jī)上得到應(yīng)用。手機(jī)出廠前必須通過1.2m或更高的自由跌落測(cè)試，從1.2m自由跌落至大理石地面將對(duì)整機(jī)產(chǎn)生大約50000 gn的沖擊力。如果除去外殼和印刷電路板的緩沖作用，施加到加速度計(jì)上的沖擊加速度將超過5000 gn。為了抵御這種沖擊，采用加速度傳感器在時(shí)間獲取跌落信息，將需避震電子器件的電源關(guān)閉，以予保護(hù)，如高速旋轉(zhuǎn)的硬盤、光碟等。另外，在汽車的各種控制系統(tǒng)中，如安全氣囊、防抱死系統(tǒng)中亦使用傳感器，這一發(fā)展使得未來無(wú)人駕駛汽車成為一種可能。
隨著新興電子技術(shù)的發(fā)展，特別是無(wú)人機(jī)和無(wú)人駕駛技術(shù)的研發(fā)，自動(dòng)化程度越高，對(duì)加速度計(jì)的依賴就越大。加速度計(jì)的特點(diǎn)是不斷引入新技術(shù)發(fā)展新功能，當(dāng)今技術(shù)的發(fā)展方向是微型化、低功耗，并且不斷開發(fā)新型敏感材料，新型制作工藝。在不久的未來，加速度計(jì)的智能化會(huì)是科研學(xué)者又一個(gè)研究的前沿方向，勢(shì)必將會(huì)掀起新一輪的研發(fā)熱潮，逐漸加速度計(jì)的性能指標(biāo)并拓寬應(yīng)用領(lǐng)域。
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