论文摘要：多层复合膜结构下的微尺度换热研究

对于内燃机而言，进气流量的测量是非常重要的。电控汽油喷射系统可以将空燃比控制在一定范围内，发动机电控系统的大规模采用促进了发动机性能与指标的提升。通过调整与进气量相匹配的喷油量就可以调节发动机的空燃，因此，空气进气流量的测量是控制空燃比的基础。热膜式空气流量传感器能够直接测量进气质量流量，测量精度更高，响应速度很快，热膜采用多层复合薄膜结构，特征尺寸在微米级。目前人们对热膜以及其他类似MEMS微器件的热学方面的研究比较缺乏。

本文以基于MEMS技术的先进车用热膜式空气流量传感器的设计研发项目为背景，对多层复合膜结构微小尺度下的换热问题、热物性、热行为进行了研究。归纳起来本文主要进行了以下几个方面的工作：

1）介绍了热膜式空气流量传感器的研究背景，国内外研究现状以及主要组成部分并详细说明了传感器组件的结构，从传热学尤其是微尺度换热的角度分析了敏感元件的热传导状况并说明了热膜式空气流量传感器的工作原理。提出了对多层复合膜结构需要从宏观和微观两方面进行分析。按照以上所述的微小尺度换热研究方法可以对热膜式气体流量计的开发和改进起到指导作用。

2）对基本MEMS加工工艺和材料进行了概述，详细介绍了基于MEMS工艺的多层复合膜结构器件的整体设计思路，制备过程，以及重要参数。从热学与力学交互研究出发，对器件热膜区的多层结构与材料进行了分析，对多层复合膜的机械应力和断裂特性进行了实验和分析。研究表明，调节多层复合膜内应力时，应使其在常温下具有较小的拉应力，这样在复合膜受热膨胀时不发生翘曲，在低温环境下，薄膜不会因为收缩而断裂。

3）论述了多层复合膜中铂/钛金属薄膜电阻温度系数的研究方法和影响因素。设计了一套针对微小器件上的金属薄膜电阻温度系数测量的装置和测量方法。为了提高铂薄膜电阻的稳定性和温度系数，进行了退火实验的摸索 ，确定了适用本文研究对象为多层复合膜微器件的最佳退火温度是400~500℃。同时也为研究测量多层复合膜的热物性参数做准备。

4）阐述微尺度换热的基本原理与常规尺度换热的不同。解释了薄膜的热物性存在的微尺度效应，详细介绍了薄膜导热系数和热扩散系数的测量方法。并对多层复合膜的导热系数和热扩散系数进行了实验测量和结果分析。本文的多层复合膜的导热系数约为3.5~4.2W/(m·K)，处于二氧化硅与氮化硅之间，更倾向于氧化硅。在实验范围内，导热系数随温度的升高而变大；热扩散系数约为1.3*10-6m2/s。

5）以多层复合膜结构的热膜微器件为敏感元件，设计制作了一种热式空气流量传感器，并重新设计了传感器的信号处理电路。设计基于数字电路的热膜式空气流量传感器，在实验上进行稳态和动态测试实验。证明本文中设计的多层复合膜结构的热膜微器件为敏感元件的空气质量流量传感器具有很高的响应速度。

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