热泵管道电加热器但仍可以进步提高

热泵管道电加热器但仍可以进步提高

近年来，智能手机、可穿戴式设备的迅猛发展，极大地促进了微机电系统（MEMS）加速度计市场需求量。微机械热对流加速度计利用气体自然对流在加速度作用下发生改变的原理研制，体积小、成本低，具有结构简单、抗冲击强度大等优点， 近年来被美国、日本、葡萄牙、印度等多国研究机构挖掘探索，通过不断采用新材料、新工艺、微米（μm）乃至纳米（nm）尺度以及更高的性能指标对热对流加速度计全面深入研究。本文对热对流加速度计的现状和发展进行了综述。

热对流式加速度传感器结构如图1所示，由封闭的单晶硅腔体、加热器和一对对称的温度传感器组成。加热器（加热元件）和温度传感器（热敏元件）悬于硅腔体上方。当敏感方向无加速度时，腔体内的加热气体只在重力加速度的作用下发生对流，加热器水平两边相等位置上的温度传感器温度相等，无温度差，输出为零；敏感方向有加速度时，腔体内的气体在重力加速度和外来加速度的联合作用下产生对流，此时两个温度传感器出现温度差，输出产生差异，再经惠斯通电桥转换为电压差输出。

法国蒙彼利埃大学电子中心使用流体动力学方程的数值分辨率研究了根据加热器—检测器间距离测定温度分布和传感器灵敏度，使用微加工硅的技术制造具有位于距离加热器100μm、300μm、500μm的3对检测器的热对流加速度计。原理如下：加热器沿着密封室的x轴产生对称的温度分布，图2所示，2个温度检测器对称地悬挂在加热器的两侧。在没有加速度的情况下，2个检测器具有相同的温度，而当在敏感轴x方向上施加加速度时，由于不对称的热传递，在2个检测器之间出现温度差 ΔTdet。由于温差因自由对流导致，研究团队开发了一个简单的模型，表明热对流加速度计的响应与格拉斯霍夫数Gr呈线性Gr = (aρ²βΔTl³) /μ²，式中a为地球重力上的加速度，ρ为气体密度，β为气体膨胀系数，ΔT为气体和加热器温度之间的温差，l为线性尺寸，μ为气体粘度。

结果表明，传感器灵敏度或两个对称检测器之间的温差ΔTdet对于300μm的距离时，热对流加速度计是的，而实验值更接近μm。

中船重工集团第701研究所郭伟、汪荣青、胡俊强、李顶根等人在2012年对微机械热对流加速度计进行了温度分析，设计了1只六面体腔型微机械热对流加速度计，加速度计封装在10mm × 5mm × 5mm的硅壳内，加热元件和热敏元件布置在同一水平线上，加热元件布置在空腔中心位置，热敏元件对称放置。

分析过程中， 以代表性的 0、1、10、25、50 gn分别作为输入的加速度，采用数值分析的方法获取腔体内的温度场分布。进而获得对称分布的热敏元件的温差ΔT，如图3所示，ΔT越大，在相同加速度输入的情况下，加速度计感受到的温差越大，信号输出越明显。由图中看出加速度计内热敏元件与加热元件的距离为0.425～0.450mm，在此区间加速度计具有的灵敏度。

2016年，印度理工学院克勒格布尔分学院电子和电气通信工程系的3位研究者，提出了一种热对流加速度计，包括1个中央加热器和4个温度探测器（热敏电阻器），热泵电加热器加热器对称放置在4个悬挂的腔体中间。加热器由中央加热器框架和4个支撑梁组成，加热器和温度检测器由多晶硅制成，置于空腔中。采用气密密封以阻止空气与外界流动，从而在密闭空腔中产生强制对流。

设计和模拟了3种不同的加热器结构，以提高加速度计的性能：曲折形、十字形和方环形。所有加热器尺寸均为0.1mm × 0.1mm，每个加热器臂宽为0.01mm，厚度为0.002mm。所有结构的加速度计的腔体大小和外部空气体积均相同。