Тепловая микросистема с фотонным нагревом

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения свойств и характеристик газовых потоков в экстремальных условиях эксплуатации.

Известны термоанемометры с бесконтактным способом нагрева термочувствительного элемента (ТЧЭ), (патент RU №2060504), состоящие из опорного и рабочего ТЧЭ, оптически согласованных с радиационным нагревателем. Излучение радиационного нагревателя поглощается ТЧЭ, при этом на выходе термоанемометра появляется сигнал фототока, несущий информацию о скорости потока.

Недостатками таких термоанемометров являются: образование стока тепловой энергии на внешних выводах термоанемометров, невысокая степень изотермичности поверхности термоанемометров, при этом при возникновении помех оба ТЧЭ опорный и рабочий свертывается в одну катушку, что так же свидетельствует о неравномерности прогрева ТЧЭ и значительно увеличивает погрешность измерения.

Известны термоанемометры и способ их нагрева (патент RU №2528572), состоящие из расположенных на одной оптической оси последовательно друг за другом: источника света, ТЧЭ и отражающей пластины. Причем пластина обладает свойствами прогиба вдоль оптической оси, а центр пластины совпадает с оптической осью.

Недостатками таких термоанемометров являются необходимость точности настройки положения отражающей пластины относительно источника света и положения термоанемометра, невозможность использования источника света с периодизацией излучения, а также невозможность локализации нагрева в определенных зонах.

Наиболее близким по техническому решению является тепловая микросистема, конструкция которой включает термоанемометр и термометр (патент RU №2648306). Тепловая микросистема изготовлена из полупроводникового материала и содержит сквозное отверстие. При этом, нагрев элементов тепловой микросистемы осуществляется при помощи постоянного или переменного электрического тока.

Недостатками такой тепловой микросистемы является сильная зависимость греющего тока от электрического сопротивления ТЧЭ термоанемометра, и, как следствие невозможность использования ТЧЭ с высокими значениями электрического сопротивления, а так же сложность электрических цепей тепловой микросистемы ввиду большого количества элементов, что повышает погрешность измерений.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является уменьшение погрешности за счет возможности использования высокоомной терморезистивной структуры, а так же возможность локального нагрева элементов тепловой микросистемы за счет использования установленных под необходимым углом различных отражающих поверхностей, упрощение настройки этих поверхностей, уменьшение погрешности измерений за счет сокращения количества элементов электрических цепей.

Для достижения данного технического результата предложена тепловая микросистема с фотонным нагревом, включающая источник нагрева микросистемы и площадку круглой формы, в пределах периметра которой с двух сторон содержится электропроводящий слой известного химического состава с внешними электрическими выводами и охранное кольцо в виде мезопланарной структуры и ножки содержащей также электропроводящий слой известного химического состава с внешними электрическими выводами, охранное кольцо в виде мезопланарной структуры и сквозное отверстие, причем источник нагрева тепловой микросистемы представляет собой источник света, формирующий несколько прямых световых потоков с определенной периодичностью, направленных на разогреваемые элементы микросистемы, при этом один из направленных потоков излучения проходит через сквозное отверстие микросистемы формируя с той же периодичностью, что и у прямых световых потоков, на обратной стороне тепловой микросистемы дополнительный источник нагрева элементов микросистемы с помощью установленных за сквозным отверстием отражающих поверхностей, расположенных под необходимым углом к световому потоку.

На фиг. изображена оптико-геометрическая модель тепловой микросистемы с фотонным нагревом. Тепловая микросистема содержит: 1 - источник света, 2 - направленные световые потоки, 3 - термометр с металлизированной контактной площадкой, 4 - сквозное отверстие в ножке, 5 - термоанемометр с металлизированными контактными площадками, 6 - светоотражающая пластина.

Устройство работает следующим образом.

Источник света 1 создает световые потоки 2, направленные вдоль оптической оси, распространяющиеся в газовой или жидкостной среде. За счет поглощения энергии излучения, длина волны которого согласована с коэффициентом поглощения тепловой микросистемы, на ее поверхности, где сформированы металлизированные контактные площадки 3, 5, формируются источники теплового потока. При этом, формирование световых импульсов от источника происходит не одновременно, а с определенной периодичностью. Через отверстие 4 в тепловой микросистеме проходит сформированный пучок света и при помощи светоотражающей пластины 6, установленной под определенным углом к этому пучку, направляет его на необходимую поверхность, создавая на обратной (теневой) поверхности микросистемы дополнительный источник тепла, тем самым происходит увеличение быстродействия микросистемы за счет увеличения количества теплового потока на ее поверхности, сокращается время ее нагрева. При этом форма, материал и расположение пластины могут быть различными и определяются условиями эксплуатации и не требуют специальной или точной настройки. Стоит отметить, что создание двух источников теплового потока с противоположных сторон тепловой микросистемы обеспечивает более равномерный ее нагрев. Кроме того, фотонный нагрев позволяет использовать высокоомные материалы при изготовлении тепловой микросистемы, что значительно снижает погрешность при измерении, а использование источника с фотонным нагревом для разогрева тепловой микросистемы позволило сократить количество элементов электрических цепей тепловой микросистемы.

Таким образом, технический результат - уменьшение погрешности за счет возможности использования высокоомной терморезистивной структуры, возможность локального нагрева элементов тепловой микросистемы за счет использования установленных под необходимым углом различных отражающих поверхностей, упрощение настройки этих поверхностей и уменьшение погрешности измерений за счет сокращения количества элементов электрических цепей - достигнут полностью.