面向火星应用的MEMS热风传感器的仿真设计

摘要

本文对面向火星应用的热风传感器进行了建模和仿真，论文主要研究了火星环境对于风速传感器性能的影响。
　　通过使用COMSOL Multiphysics对粉尘的影响和两个热敏电阻之间的温差进行建模。其中2个热风速度传感器是由基于硅衬底的4个温度传感器（铂）围绕的加热器组成，后表面感应用来保护风速传感器。由于MARS环境恶劣，对三种不同情况进行了研究。
　　与地球相比，火星星球的平均气温和大气压力非常低。相比之下，风速和温度分布均高于地球。在平均温度(250K)，低温(187K)和高温(293K)下平均压力(800Pa)进行模拟。对于平均表面温度和10m/s风速，上游和下游温度传感器之间的温差为0.183K，随风速而增加。在较低温度(187K)时，温差升高至0.221K。另一方面，高温下的温差降至0.161K。
　　第一种情况，假设灰尘在流动通道(CO2)中。流动通道中的粉尘浓度为5％至20％。因此，通过计算等效热导率并考虑了空气导热系数的变化，在5％粉尘浓度下，从上游到下游的温差从0.07K增加到0.14K。温差随着粉尘浓度增加到10％，15％和20％。
　　第二种情况，灰尘落在硅衬底表面，等效于一个灰尘层，并将其厚度从10μm逐渐增加到30μm。使用平均风速/速度(10m/s～80m/s)观测上游和下游之间的温差。上游到下游的总体温差与0.141K相比下降到0.0936K，同时随着衬底表面灰尘层厚度的增加而减小。
　　第三种情况是第一和第二种情况的组合。粉尘落在硅衬底的表面上，并且还考虑了流动通道(CO2)。和第一种情况一样，在流量通道(CO2)中形成的粉尘浓度为5％至20％，同时假定相同的热导率，灰尘层厚度按照第二种情况从10μm逐渐增加到30μm。对于每种灰尘厚度，施加平均风速(10m/s～80m/s)，等效热导率从5％变化到20％。在10m/s的风速和10μm的灰尘厚度下，总体温差下降了0.140K。此外，该温差随着硅衬底表面上的灰尘厚度的增加而减小。与地球环境中的温差相比，火星环境中的整体温差有所提高。这种现象源于星球的低密度、低气压、低平均温度和灰尘环境。

目录

声明

ABSTRACT

摘要

Contents

Chapter 1 INTRODUCTION

1．1 Background

1．2 Research State of Wind Measurement in MARS

1．3 Work of the Thesis

1．4 Conclusion

Chapter 2 MEMS THERMAL WIND SENSOR

2．1 Theory of MEMS thermal wind sensor

2．1．1 Calorimetric Principle

2．2 Parameters of MEMS Thermal Wind Sensor

2．3 FEM Simulation

2．4 Conclusion

Chapter 3 MARS ENVIRONMENT

3．1 Martian Atmosphere

3．2 Temperature Effect

3．3 Low Pressure effect

3．4 Conclusion

Chapter 4 DUST EFFECT IN MARS

4．1 Dust in wind

4．2 Dust on the surface

4．3 Dust in wind and on the surface

4．4 Conclusion

Chapter 5 CONCLUSION AND FUTURE WORK

Acknowledgement

Dedication

References

Figures

Tables

Acronyms

Author’s Bibliography