用于金属氧化物气体传感器的包装设计热优化通过有限元模型和红外成像特征化
Serguei Stoukatch1, Francois Dupont1, Philippe Laurent1
1Microsys Laboratory, Department of Electrical Engineering and Computer Science (Institut Montefiore), University of Liège, 4000 Liège, Belgium.
Materials (Basel, Switzerland)
|September 28, 2023
概括
这项研究开发了金属氧化物 (MOX) 气体传感器的3D模型,使用有限元素建模 (FEM) 优化了包装和材料. 热分析证实了对隔热的需求,从而产生了一种新的复合材料,可以提高传感器性能.
科学领域:
- 材料科学 材料科学 材料科学
- 传感器技术 传感器技术
- 计算机建模 计算建模
背景情况:
- 金属氧化物 (MOX) 气体传感器需要精确的温度控制才能达到最佳性能.
- 精确的热管理对于传感器的可靠性和寿命至关重要.
- 现有的包装解决方案可能无法充分解决MOX传感器操作中的热挑战.
研究的目的:
- 创建一个MOX气体传感器及其包装的3D几何模型,用于有限元素建模 (FEM) 分析.
- 预测和分析传感器组件内的温度和热流分布.
- 根据热建模见解,优化传感器设计,材料和电气互连.
主要方法:
- 设计了MOX气体传感器及其定制包装的3D几何模型.
- 使用GetDP软件进行有限元建模 (FEM) 分析以模拟热行为.
- 开发并使用了一种具有低导热率的内部凝-环氧复合材料用于绝缘.
- 在各种配置中组装和表征功能性包装的MOX气体传感器.
- 使用热成像红外 (IR) 显微镜进行非接触温度测量.
主要成果:
- 3D FEM模拟准确预测了温度分布,并确定了热点.
- 热建模证实了在250°C工作的MOX传感器需要低导热绝缘的必要性.
- 开发了一种具有0.108W m-1 K-1的热导率的内部凝-环氧复合物,比商业替代品提供至少30%的低导率.
- 红外热特性测试的实验结果与FEM预测有很好的一致性.
结论:
- 3D FEM是优化MOX气体传感器设计和包装的宝贵工具.
- 开发的谢洛格尔-环氧复合材料有效地隔离了MOX传感器,增强了热管理.
- 该研究成功设计,组装和表征了一种功能性包装的MOX气体传感器,具有改进的热性能.
