การออกแบบและจำลองตัวตรวจจับก๊าซพลังงานต่ำขนาดไมโครเมตร

Abstract

ตัวตรวจจับก๊าซชนิดสารกึ่งตัวนำมีข้อดีหลายประการได้แก่ ขนาดเล็ก ความไวสูง และราคาถูก แต่มีข้อเสีย คือ ใช้พลังงานสูงเนื่องจากทำงานที่อุณหภูมิสูงหลายร้อยองศาเซลเซียส การลดพลังงานที่ใช้ของตัวตรวจจับก๊าซชนิดสารกึ่งตัวนำจึงเป็นสิ่งที่ต้องได้รับการพัฒนา วิทยานิพนธ์ฉบับนี้นำเสนอวิธีการวิเคราะห์และออกแบบตัวให้ความร้อนในตัวตรวจจับก๊าซที่ใช้พลังงานต่ำ การคำนวนค่าอุณหภูมิที่เกิดขึ้นบนตัวให้ความร้อนและประสิทธิภาพของตัวให้ความร้อนทำโดยใช้หลักการการถ่ายเทความร้อน 3 ส่วนคือ การนำความร้อน การพาความร้อน และการแผ่รังสี ในการศึกษาได้ทำการตรวจสอบค่าอุณหภูมิของตัวให้ความร้อน 2 วิธี คือ การวิเคราะห์เชิงวิเคราะห์ (Analytical analysis) และการวิเคราะห์เชิงตัวเลข (Numerical analysis) โดยใช้หลักการไฟไนต์เอลิเมนต์ด้วยโปรแกรมคอมโซล เนื่องจากการถ่ายเทความร้อน จะมีผลของรูปร่าง สมบัติของวัสดุ และสภาวะแวดล้อมเข้ามาเกี่ยวข้อง ในการศึกษานี้จึงกำหนดใช้แพลตินัมเป็นวัสดุที่ใช้ทำตัวให้ความร้อน โดยในเบื้องต้นกำหนดโครงสร้างของตัวให้ความร้อนเป็นรูปแท่งสี่เหลี่ยม สำหรับการวิเคราะห์อุณหภูมิบนตัวให้ความร้อนจะเริ่มจากการกำหนดให้สภาพต้านทานไฟฟ้ามีค่าคงที่ และทำการประมาณสมการการแผ่รังสีให้อยู่ในรูปสมการเชิงเส้นตรง ผลการวิเคราะห์โครงสร้างพื้นฐานที่มีขนาดกว้าง×หนา×สูง เท่ากับ 50 µm × 0.1 µm × 2,000 µm พบว่าเมื่อพิจารณาเฉพาะการนำความร้อนและการพาความร้อน ผลการวิเคราะห์จะอุณหภูมิสูงกว่าผลจากการวิเคราะห์ที่รวมทั้งสามส่วนประมาณ 9% และเมื่อพิจารณาเฉพาะการนำความร้อนและการแผ่รังสี ผลการวิเคราะห์จะสูงกว่าผลจากการวิเคราะห์ที่รวมทั้งสามส่วนประมาณ 41% และเมื่อวิเคราะห์ผลของการแผ่รังสีโดยใช้รูปสมการเชิงเส้นพบว่าจะทำให้ค่าอุณหภูมิต่ำกว่าที่ควรจะเป็นประมาณ 5% นอกจากนี้พบว่าการวิเคราะห์อุณหภูมิในตัวให้ความร้อนโดยกำหนดให้สภาพต้านทานไฟฟ้าของตัวให้ความร้อนมีค่าคงที่จะให้ค่าอุณหภูมิสูงกว่าการวิเคราะห์เมื่อให้สภาพต้านทานไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิประมาณ 21% นอกจากนี้ในวิทยานิพนธ์นี้ได้นำเสนอการวิเคราะห์หารูปแบบโครงสร้างของตัวให้ความร้อนที่มีประสิทธิภาพสูง โดยแปรขนาดความยาวในช่วง 0.1 mm – 10 mm ความกว้างในช่วง 0.1 µm – 100 µm และความหนาในช่วง 0.1 µm -10 µm พบว่าการออกแบบตัวให้ความร้อนที่มีประสิทธิภาพสูงจะต้องออกแบบให้มีขนาดความกว้างและความหนาที่น้อยโดยคำนึงถึงความสะดวกในการใช้งานจริง ในขณะที่ความยาวที่เหมาะสมจะถูกกำหนดโดยความกว้าง ความหนา และสมบัติของสารของตัวให้ความร้อน ซึ่งจะได้ขนาดตัวให้ความร้อนที่เหมาะสมมีขนาดกว้าง 50 µm หนา 0.1 µm และยาว 2,540 µm และเมื่อป้อนแรงดัน 0.2 V จะได้อุณหภูมิสูงสุด 617K ที่จุดกึ่งกลาง และใช้พลังงาน 0.7 mW นอกจากนี้ผลการศึกษาได้แสดงให้เห็นว่าการออกแบบตัวให้ความร้อนที่บริเวณกึ่งกลางมีขนาดเล็กและบริเวณขั้วไฟฟ้ามีขนาดใหญ่จะทำให้สะดวกต่อการใช้งาน ใช้พลังงานต่ำ และมีประสิทธิภาพสูง