КОНСТРУКЦИЯ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ ПОТОКОВ НА ОСНОВЕ МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ (МЭМС) (ВАРИАНТЫ)

Область техники:
Полезная модель относится к устройствам для измерения температуры.
Уровень техники:
Известны устройства на базе микроэлектромеханических систем (МЭМС) для измерения тепловых потоков и определения, на основе этих измерений, давления окружающей среды, расхода и скорости потока жидкости или газа (например, патенты США №№6527835, 7309467, 7305890).
Конструктивно все эти устройства выполнены так, чтобы косвенно, по тепловому потоку, измерять только одну величину - давление, или скорость потока, или расход. Устройства представляют собой диэлектрическую подложку из стекла или оксида кремния на которую методами микроэлектроники наносятся одна или несколько батарей термопар а также нагревательные элементы. Недостатком таких устройств является сильное рассеяние теплового потока от нагревательного элемента к батареям термопар из-за избыточной теплопроводности подложки. В данном изобретении предлагается уникальная конструкция многоцелевого датчика на основе МЭМС, способного измерять такие величины как мощность тока по тепловому эквиваленту, скорость потока и расход жидкости или газа, давление окружающей среды, угол наклона, ускорение. При этом, все устройства изготавливаются по одинаковому технологическому циклу.
Устройство изготавливается при помощи групповых технологий микроэлектроники.
Раскрытие полезной модели:
Предлагаемая полезная модель предназначена для измерения таких физических величин как мощность переменного тока (по тепловому эквиваленту), давление (разрежение) газа, ускорение, расход газа или жидкости, скорость потока газа или жидкости, угол наклона.
2
3
4
Конструкция полезной модели (фигура 1) представляет собой многослойную мембрану (например, из пяти чередующихся слоев: трех слоев оксида кремния (SiO) и двух слоев SiN). Мембрана опирается на рамку из кремния (Si), выполненную, в ходе процесса изготовления, вместе с мембраной. В экспериментальных образцах толщина мембраны составляла 1-1,5 мкм, толщина рамки 400 мкм. Такая конструкция позволяет согласовать коэффициенты теплового расширения мембраны и рамки, что позволяет избежать, в случае изменения температуры, возникновения механических напряжений в конструкции. На мембрану нанесен проводник - терморезистивный элемент, (например, П-образной формы, или в форме незамкнутого квадрата или многоугольника) и слой оксида кремния (SiO2). Терморезистивный элемент окружают одна или несколько батарей термопар, нанесенных на мембрану с внешней стороны терморезистивного элемента. Мембрана имеет малую теплопроводность, основной поток тепла идет к горячим спаям термопар через слой оксида кремния. Контактные площадки терморезистивного элемента и термопар, а также холодные спаи термопар находятся на кремниевой рамке, на которую опирается мембрана. Рамка обладает большой теплопроводностью для эффективного охлаждения холодных спаев термопар.
Реализации полезной модели:
1. В случае измерения мощности переменного тока по тепловому эквиваленту протекающий ток будет нагревать терморезистивный элемент, что, за счет теплового потока через мембрану, будет детектироваться термопарами.
2. В случае измерения давления (разрежения) газа амплитуда нагревающего терморезистивный проводник переменного тока или величина постоянного тока, фиксируется на определенном значении. При этом, в зависимости от степени разреженности окружающей среды, будет меняться тепловой поток через окружающую среду от терморезистивного элемента к термопарам, что приведет к изменению температуры, детектируемой термопарами. По
изменению температуры можно судить о степени разреженности окружающей среды. Диапазон измерений от 0,1 до 150 Па.
3. В случае измерения вектора скорости потока газа или жидкости устройство помещается в поток, направленный вдоль мембраны. При этом через терморезистивный элемент течет нагревающий его фиксированный переменный или постоянный ток. Поток жидкости или газа будет проходить первую батарею термопар, нагреваться, протекая над проводником и проходить над второй батареей термопар. Детектируя разность температур между противоположными группами термопар, расположенных вдоль потока, можно определить скорость потока газа или жидкости. Также, определяя между какими батареями термопар имеется разность температур можно определить Х и Y компоненты скорости потока - направление потока. Например, терморезистивный элемент представляет собой незамкнутый квадрат, и четыре батареи термопар находятся вдоль сторон квадрата, в этом случае разность температур будет возникать между парами батарей, перпендикулярными потоку. Батареи, расположенные вдоль потока будут находиться при однородной температуре (фигура 2).
4. В случае измерения расхода жидкости или газа устройство помещается в корпус, оснащенный штуцерами. При этом через терморезистивный элемент течет нагревающий его фиксированный переменный или постоянный ток. За счет измерения скорости потока по принципу, описанному выше (пункт 3), можно вычислить расход жидкости или газа.
5. В случае измерения угла наклона (инклинометр) устройство помещается в герметичный газонаполненный корпус, жестко связанный с поверхностью, плоскость поверхности параллельна мембране. При этом через терморезистивный элемент течет нагревающий его фиксированный переменный или постоянный ток. В случае изменения угла наклона поверхности меняются конвекционные тепловые потоки внутри корпуса, что приводит к изменению температур, детектируемых группами термопар. По изменению тепловых потоков измеряется угол наклона между нормалью к мембране и вектором силы тяжести.
6. В случае измерения компонент вектора ускорения в плоскости, параллельной мембране, устройство помещается в герметичный газонаполненный корпус жестко связанный с объектом, ускорение которого требуется измерить. При этом через терморезистивный элемент течет нагревающий его фиксированный
постоянный или переменный ток. В случае изменения ускорения меняются конвекционные тепловые потоки внутри корпуса, что приводит к изменению температуры, детектируемой группами термопар. По изменению тепловых потоков можно определить величину вектора ускорения объекта и компоненты вектора ускорения в плоскости, параллельной мембране.
7. В случае измерения давления окружающей среды в диапазоне от 0,1 Па до 100 кПа амплитуда нагревающего терморезистивный элемент переменного или величина постоянного тока фиксируется на определенном значении. Плоскость мембраны в этом случае выставляется по вертикали. При этом, в зависимости от давления окружающей среды, будет меняться конвекционные тепловые потоки от терморезистивного элемента к термопарам, что приведет к изменению температуры, детектируемой термопарами. По изменению температуры можно судить о давлении окружающей среды.
Описание чертежей:
Фигура 1. 1 - контактные площадки батарей термопар, 2 - контактные площадки терморезистивного элемента, 3 - батареи термопар, 4 - терморезистивный элемент, 5 - многослойная мембрана.
Фигура 2. 1 - контактные площадки батарей термопар, 2 - контактные площадки терморезистивного элемента, 3 - батареи термопар, 4 - терморезистивный элемент, 5 - многослойная мембрана, 6 - входной поток, 7 - выходной поток.
Осуществление полезной модели:
3
4
2
2
3
4
2
3
4
2
Первым этапом изготовления преобразователя является формирование мембраны. Вариантом изготовления мембраны является поочередное осаждение слоев оксида и нитрида кремния. Варьированием количеством и толщиной слоев можно приблизить коэффициент теплового расширения (ТКР) мембраны к ТКР кремния (ТКР SiN<Si<SiO). Это позволяет изготовить мембрану с минимальными структурными напряжениями. На основе серии проведенных опытов лучшими характеристиками обладают мембраны, изготовленные на основе термического SiO (0,2 мкм)/ газофазного SiN (0,15 мкм)/ газофазного SiO (0,1 мкм)/ газофазного SiN (0,15 мкм)/ газофазного SiO (0,1 мкм). После изготовления многослойной мембраны на лицевую сторону пластины наносится нелегированный поликристаллический кремний с толщиной слоя 0,8
мкм. Формирование полосок термопар и знаков совмещения проводится посредством двухсторонней фотолитографии (ФЛГ).
3
3
4
2
После ФЛГ для получения термопар с необходимыми электрофизическими свойствами проводится ионное легирование (ИЛ) бором нечетных полосок термопар лицевой стороны пластины. Для этого на лицевую сторону пластины наносится ФР и проводится ФЛГ с целью открыть нечетные полоски для легирования бором. После ИЛ бором старый ФР снимается, наносится новый слой ФР и проводится ФЛГ с целью открыть четные полоски для легирования фосфором. После последнего ИЛ лицевая часть пластины закрывается слоем SiO2 толщиной около 0,3-0,4 мкм и проводится отжиг для разгонки примеси. Формирование терморезистивного элемента (нагревателя) проводится посредством, например, "взрывной" литографии. Последовательность технологических операций по изготовлению нагревателя методом "взрывной литографии" можно описать в следующем виде: нанесение ФР - фотолитография - напыление материала с нужным тепловым коэффициентом сопротивления, например Cr, необходимой толщины - удаление Cr лежащего на фоторезисте, посредством растворения последнего в смеси диметилформамида и моноэтаноламина - отмывка пластины. Следующей операцией изготовления теплового преобразователя является напыление алюминия толщиной 0,8-1 мкм, которое проводится на установке магнетронного напыления. После напыления проводится ФЛГ с целью формирования защитного электростатического экрана, контактных дорожек и площадок. Травление Аl проводится в СНСООН:НРO (45 мл:228 мл) при температуре 40 С в течении около 5 мин. После операции вжигания Аl при Т=450 С полученная структура еще раз покрывается слоем защитного газофазного SiO толщиной 0,1 мкм и делается литография для открытия окон на контактных площадках.
2
3
4
Первым этапом обработки тыльной стороны пластины является формирование маски для селективного удаления пятислойного покрытия SiO/SiN в установке плазмохимического травления. Для надежной защиты в качестве материала маски используется Сr толщиной не менее 0,3 мкм.
6
Плазмохимическое травление проводится в атмосфере чистого эле-газа (SF), время травления 3 мин.
После плазмохимического травления проводится глубокое щелочное анизотропного травления (AT) пластины. Маской для щелочного травления служит
2
3
4
оставшееся после плазмохимического травления пятислойное SiO/SiN покрытие, находящееся на предыдущей операции под защитой Сr.
Травление пластины проводится на всю глубину пластины до освобождения мембраны.
После чего следует многостадийная промывка (чистый толуол, изопропиловый спирт, дистиллированная вода), разделение на чипы и корпусирование устройства.