ПЕРВИЧНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ РАСХОДА ТЕКУЧИХ СРЕД
PRIMARY CONVERTER OF FLUID MEDIA FLOW RATE

Изобретение относится к области микроэлектронных и микромеханических устройств и может быть использовано в качестве первичного преобразователя (сенсора) количества прошедшей по трубопроводу жидкости или газа в электрические сигналы расходомеров или счетчиков.
Известны первичные преобразователи массового расхода газа (сенсоры), выполненные на кремниевой рамке-основании, на которой расположена диэлектрическая мембрана с расположенными на ее поверхности чувствительными платиновыми резисторами, реагирующими на величину расхода газа, и нагревательными резисторами из платины или других резистивных материалов, обеспечивающих тепловой режим активной зоны сенсора [1.2]. Основным недостатком данных сенсоров является невысокая надежность и недостаточная долговечность нагревательных резисторов, используемых в них, т.к. диапазон температур в рабочей зоне сенсора имеет величину 300-650°С, а тонкопленочные резисторы, используемые здесь, быстро деградируют при частых включениях или работе в импульсном режиме вследствие структурного несовершенства напыленных резисторов.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству служит широко известный сенсор, используемый в датчике массового расхода воздуха автомобилей с инжекторным устройством подготовки топлива фирмы «Бош» [3]. Сенсор выполнен в виде кремниевого кристалла, содержащего рамку-основание, на котором расположена тонкая диэлектрическая мембрана, а на мембране расположены платиновые тонкопленочные нагревательный и чувствительные резисторы. Критерием величины расхода газа служит изменение температуры и, соответственно, изменение величины сопротивления чувствительного резистора. Малая теплоемкость газов заставляет располагать нагревательный и чувствительный резисторы на минимально близком расстоянии друг от друга для получения достаточного электрического отклика на малые расходы газа. Минимальное расстояние определяется возможностями технологии и электрофизическими свойствами материалов при заданных максимальных напряжениях. В сенсорах «Бош» это расстояние составляет 5 мкм. Здесь требуется высокая фильтрация газа. Размер частиц токопроводящей пыли должен быть много меньше 5 мкм для недопущения возможных коротких замыканий электрических цепей. При увеличении расстояния между резисторами до желаемых 50-100 мкм увеличивается мощность, потребляемая нагревательным резистором в несколько раз, что резко снижает надежность и долговечность тонкопленочного нагревательного резистора в силу вышеуказанных обстоятельств. Высокие требования к чистоте газа заставляют применять сложные и дорогостоящие фильтры, которые вызывают нежелательное снижение давления в трубопроводе. Интеграция сенсора со схемами управления на одном кристалле при высоком энергопотреблении нагревательным резистором затруднительна т.к. существует противоречие между требованием высокой температуры нагревательного резистора и стандартными температурными условиями для электронных схем управления, располагаемыми на рамке кристалла при достаточно высокой теплопроводности элементов кристалла.
Технической задачей, которую должно решить данное изобретение, является создание устройства, позволяющего повысить надежность и долговечность сенсора и в дополнение к этой задаче создать условия интеграции сенсора и схем управления на одном кристалле, изготавливаемом по стандартным микроэлектронной и микромеханической технологиям.
В предложенном изобретении задача решается благодаря тому, что в кремниевом кристалле сенсора с электронным типом проводимости, содержащем рамку-основание с диэлектрической мембраной, на которой выполнен платиновый чувствительный резистор, нагревательный резистор выполнен на обратной стороне мембраны из кремния с дырочным типом проводимости, причем или он полностью располагается на мембране, или на мембране располагается активная часть резистора, а концы его выходят на рамку-основание, образуя изолирующие р-n-переходы.
Данная конструкция позволяет как угодно близко располагать нагревательный резистор относительно чувствительного. Чувствительный резистор может располагаться даже над нагревательным резистором, если разность потенциалов между резисторами не ограничена пробивным напряжением мембраны. В данном случае выполняются условия интеграции сенсора и схем управления в одном кристалле. Кремниевый нагревательный резистор не ограничен сроком службы, обеспечивает надежную работу сенсора в течение всего срока службы и превращается из слабейшего прежде звена устройства в самое надежное.
На фиг.1 приведен разрез кристалла сенсора. На рамке-основании (1) выполнена диэлектрическая мембрана (2) с платиновыми нагревательным (3) и чувствительным (4) резистором. Из чертежа видно, что расстояние L между резисторами не может быть сколь угодно малым т.к. оба резистора находятся на поверхности мембраны, а электрические потенциалы их различны. На фиг.2 представлен разрез кристалла сенсора с платиновым чувствительным и кремниевым нагревательным резисторами. На фиг.3 и фиг.4 приведены топологии кристаллов сенсора с кремниевым нагревательным, причем на фиг.3 нагревательный резистор расположен полностью на мембране, а на фиг.4 концы резистора лежат на рамке-основании. На кремниевой рамке-основании n-типа проводимости (1) выполнена диэлектрическая мембрана(2), на которой расположен платиновый чувствительный резистор (3), а нагревательный кремниевый (р-типа проводимости) резистор (4) выполнен на обратной стороне мембраны (2). К нагревательному резистору (4) выполнены контактные окна (5) и, наконец, выполнены контактные площадки (6). В случае, когда выводы (концы) кремниевого резистора с контактными окнами (5) лежат на рамке(1), занимая место контактных площадок (6), может образоваться паразитный р-n-р транзистор между концами резистора (р-эмиттер, р-коллектор) и рамкой (n-база). Для предотвращения возникновения паразитного транзисторного эффекта концы нагревательного резистора расположены на рамке-основании на расстоянии не менее 50 диффузионных длин неосновных носителей в материале рамки-основания.
2
3
4
Для изготовления сенсоров используются стандартные кремниевые пластины, например КЭФ 4,5 (100), диаметром 100 мм и стандартные технологические операции: двухсторонняя фотолитография для создания знаков совмещения на обеих сторонах пластины, анизотропное глубинное травление кремния для освобождения мембраны и нагревательного резистора, термическое окисление, пиролиз и низкотемпературные процессы нанесения слоев SiO и SiN для создания мембраны и защитной маски с обратной стороны пластины, процесс диффузии бора из боросиликатного стекла или ионную имплантацию для выполнения кремниевого резистора, магнетронное напыление платины для чувствительного резистора и золота для контактных площадок плазмохимические процессы очистки поверхностей и процессы отжига в инертных средах.
Сенсор работает в термоанемометрическом режиме [4]. Тепловой режим платинового чувствительного резистора задает нагревательный кремниевый резистор. Он работает в непрерывном или импульсном режиме. Чувствительный резистор включен в мостовую схему, сигнал с которой через усилитель поступает на микропроцессор, осуществляющий аналого-цифровое преобразование сигналов, математическую обработку по заданному алгоритму, позволяющему выполнять наладку и калибровку устройства.
Новая конструкция сенсора обеспечивает высокую надежность и долговечность, а также создает хорошие условия для интеграции сенсора со схемами управления в одном кристалле при использовании стандартных технологических приемов изготовления.
ЛИТЕРАТУРА
1. Патент Германии № 4219454.
2. Патент РФ №2276775.
3. Патент Германии №3638138.
4. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества, изд. 4, Машиностроение, Л, 1989 г.