МИКРОНАГРЕВАТЕЛЬ
MICROHEATER

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано для поддержания и регулирования температуры, в том числе оперативного регулирования температуры поверхности, и создания динамических температурных полей поверхности.
2
Известны микронагреватели на основе металлических сплавов типа нихрома (Зайцев Ю.В., Громов B.C., Григораш Т.С.«Полупроводниковые термоэлектрические преобразователи», Радио и связь, 1985), в которых металлический сплав типа нихрома наносится на пластину кремния, пассивированного пленкой SiO. Далее с помощью фотолитографии производится формирование токопроводящих дорожек микронагревателя и металлизированных контактов к нему.
Однако данный микронагреватель имеет низкое быстродействие. Указанное обусловлено тем, что для достижения высокого быстродействия через резистор нагрева микронагревателя необходимо пропускать большой по величине электрический ток, что в данной конструкции и при данных материалах неизбежно приведет к утрате резистором нагрева своих характеристик вследствие процессов рекристаллизации и внутреннего окисления. Кроме того, существующая металлургическая граница токоввод - резистивный слой, нагретая до рабочей температуры, создает нестабильность номинального сопротивления микронагревателя, что приводит к трудностям при его применении.
Из известных устройств наиболее близким по технической сущности к заявляемому является микронагреватель, содержащий на подложке резистор, токовводы и металлические контактные площадки (патент РФ №2170992, H01L 23/34, 2001 г.). Резистор и токовводы выполнены из монокристаллической кремниевой фольги, причем микронагреватель имеет форму полоски переменного сечения, широкая часть которой является резистором, а узкая - токовводами. В полоске сформированы области низкоомного кремния и имеется силицидное покрытие, причем окончания токовводов выполняются в виде площадок с сформированными на них металлическими контактами. Микронагреватель за счет использования особенности резистора из монокристаллических проводников, а именно колоколообразного вида характеристики ρ-T (удельного сопротивления от температуры), позволяет производить термостатирование, не прибегая к отдельному измерению температуры. Реализовать указанную особенность ρ-T характеристики полупроводникового монокристаллического кремния можно лишь в том случае, если токовводы не служат теплостоками. В противном случае неизбежна неравномерность нагрева кремния по площади, что ведет к неопределенности термостатируемой характеристики. Микронагреватель позволяет поддерживать заданную температуру при изменении внешних условий, т.е. обеспечивать термостатирование объекта при условии, что его температура будет превышать температуру окружающей среды.
Анализ прототипа выявляет его существенный недостаток, который состоит в низком быстродействии устройства, которое является недостаточным для регулирования температуры быстропротекающих процессов. Указанное обусловлено особенностями ρ-T характеристики полупроводникового монокристаллического кремния, из которого выполнен резистор нагрева, а также топологией резистора нагрева:
- принципиальной особенностью ρ-T характеристики является спад тока нагрева через резистор нагрева из-за роста его номинала при приближении к заранее установленной температуре термостатирования, т.е. происходит уменьшение скорости нагрева;
- топология резистора нагрева имеет форму полоски переменного сечения, широкая часть которой является нагревательным элементом, а узкая - токовводами, т.е. узкая часть резистора вследствие уменьшения своего сечения подвержена существенным механическим и тепловым напряжениям при прохождении больших токов нагрева, которые необходимы для достижения высокого быстродействия при нагреве.
Ожидаемым техническим результатом изобретения является повышение быстродействия устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что в микронагревателе, содержащем резистор нагрева, токовводы и контактные площадки, являющиеся продолжением токовводов, резистор нагрева в виде трехслойного меандра, токовводы и контактные площадки выполнены в едином технологическом цикле методом микроэлектронного напыления всех трех слоев: тугоплавкого химически пассивного токопроводящего слоя металла, напыленного на изолирующую подложку; резистора нагрева, токовыводов и котактных площадок из меди; тугоплавкого химически пассивного токопроводящего слоя металла, причем нанесение первого и второго слоев из тугоплавкого металла выполнено с перекрытием по отношению к слою резистора нагрева, токовводов и контактных площадок, а сверху вся структура защищена слоем из органического диэлектрика, в котором в области контактных площадок сформированы «окна» для подсоединения к ним внешних электрических проводников.
На чертеже изображен общий вид микронагревателя в разрезе.
Микронагреватель содержит подложку 1 из изоляционного материала, слой резистора нагрева, токовводов и контактных площадок из меди 2, первый тугоплавкий слой 3 из химически пассивного токопроводящего слоя металла (адгезионный), второй тугоплавкий слой 4 из химически пассивного токопроводящего слоя металла, защитный слой 5 из органического диэлектрика, «окно» 6 в защитном слое 5.
Первый тугоплавкий слой 3 напылен на подложку 1 и служит для увеличения адгезии последующих слоев и повышения термической и механической стойкости напыленных слоев и конструкции в целом.
Первый 3 и второй 4 тугоплавкие слои из химически пассивного токопроводящего слоя металла напылены таким образом, что повторяют топологию резистора нагрева 2 и перекрывают его по ширине и, тем самым, защищают его от окисления и механических повреждений, в особенности при протекании значительных импульсных электрических токов при резком нагреве.
Для дополнительной защиты и повышения механической прочности на поверхность микронагревателя нанесен защитный слой из органического диэлектрика 5 с «окнами» 6.
Микронагреватель работает следующим образом. Через провода, которые подсоединяются к контактным площадкам резистора нагрева 2 (через «окна» 6 и второй тугоплавкий слой из химически пассивного токопроводящего слоя металла 4) происходит подведение электрического тока нагрева к резистору нагрева 2. При протекании электрического тока через резистор нагрева в нем выделяется тепловая мощность, пропорциональная квадрату значения протекающего электрического тока.
Выполнение микронагревателя в едином технологическом цикле обеспечивает лучшую адгезию слоев между собой и механическую прочность конструкции, что позволяет получить большую скорость его разогрева.
Большая скорость нагрева обеспечивается также применением меди для изготовления резистора нагрева
Выполнение малогабаритного малоинерционного микроэлектронного нагревателя по топологии со структурой: изоляционная подложка - первый тугоплавкий слой из химически пассивного токопроводящего слоя металла (адгезионный) - слой резистора нагрева, токовводов и контактных площадок из меди - второй тугоплавкий слой из химически пассивного токопроводящего слоя металла обеспечивает максимальную устойчивостью к возникновению механических напряжений при термоударе в процессе быстрого нагрева, а также надежность и долговечность вследствие защиты от внешней среды слоя медного резистора нагрева тугоплавкими слоями из химически пассивных токопроводящих слоев металлов. Дополнительная защита структуры микронагревателя обеспечивается защитным слоем из органического диэлектрика.