Тепловой датчик расхода газов калориметрического типа

Полезная модель относится к измерительной технике - области микроэлектронных и микроэлектромеханических (МЭМС) устройств, а именно к тепловым датчикам расхода газов.
Известна реализация датчика расхода газов с кремниевой подложкой и углублением в ней /1/. Над углублением нависает кремниевая мембрана, на которой расположены тонкопленочные нагреватель и терморезисторы. В кремниевой мембране проделаны отверстия для уменьшения ее теплопроводности, чтобы минимизировать теплоотвод от нагревателя и термочувствительных элементов для повышения чувствительности датчика. На подложке датчика вне мембраны располагается термочувствительный резистор температурной коррекции. Недостатком такого датчика является использование нагревателя, увеличивающего энергопотребление датчика, а также использование кремния в качестве материала мембраны, что не позволяет максимально уменьшить теплопроводность мембраны (150 Вт/м⋅K против 1,4 Вт/м⋅K у оксида кремния).
Известная реализация датчика расхода газов, в котором минимизируется турбулентность омывающего потока газа на основе кремния /2/. Датчик изготовлен на полупроводниковой подложке и включает в себя диэлектрическую мембрану, тонкопленочный нагреватель и термочувствительные элементы. Термочувствительные элементы сформированы в пары и расположены до и после потока газа. Нагреватель и, по крайней мере, один чувствительный элемент расположен на плоской диэлектрической диафрагме. Она сформирована из трех чередующихся слоев оксида и нитрида кремния в виде многослойной структуры и обеспечивает теплоизоляцию для чувствительного и нагревательного элементов датчика. Кроме того, один терморезистор расположен на полупроводниковом корпусе и способен измерять его температуру. Чувствительные терморезисторы закрываются верхними слоями оксида и нитрида кремния, которые защищают чувствительные терморезисторы от воздействия внешней среды, а также компенсируют механические напряжения диэлектрической мембраны датчика после проведения техпроцесса изготовления всей структуры. Недостатком датчика является необходимость использования отдельного элемента-нагревателя, что уменьшает энергоэффективность датчика, а также ограничение тока, который подается на чувствительные терморезисторы по причине саморазогрева этих элементов. Это требует больших коэффициентов усиления элементов в схеме обработки сигнала датчика и приводит к дополнительным шумам и помехам.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому, является датчик расхода газов на мембране в кремниевом кристалле, задействующий две группы термочувствительных элементов без применения отдельного элемента-нагревателя /3/. Термочувствительные элементы в датчике потока газов выполняют функцию как нагревателей, так и сенсоров потока, и устанавливаются на диэлектрическую мембрану в кремниевом кристалле. Термочувствительный элемент температурной коррекции помещен на сам кремниевый кристалл датчика. Недостатком такой реализации датчика потока газов является размещение термочувствительных элементов на большом расстоянии друг от друга. Данная особенность может негативно влиять на обеспечение теплового контакта элементов, что будет снижать точность измерений датчика.
Задачей настоящей полезной модели является повышение точности и расширение диапазона измерения скорости потока газов.
Это достигается за счет того, что в предлагаемом датчике термочувствительный элемент температурной коррекции размещается на кристалле, а на мембране датчика размещается четыре термочувствительных элемента, служащие одновременно нагревателями и датчиками температуры и размещаемые по два в двух группах по потоку измеряемого газа, причем в каждой группе термочувствительные элементы размещаются тесно друг к другу для обеспечения хорошего теплового контакта, а группы разносятся между собой для минимизации теплообмена через мембрану и преобладания теплообмена через газ, причем термочувствительные элементы образуют измерительный мост Уитстона, в плечах которого размещаются термочувствительные элементы из разных групп.
На фиг. 1 показано изображение теплового датчика расхода газов калориметрического типа;
на фиг. 2 приводится изображение мембраны датчика с размещенными на ней группами термочувствительных элементов.
Цифрами на рисунках обозначены
1 - кристалл датчика расхода газов;
2 - многослойная диэлектрическая мембрана датчика расхода газов;
3 - термочувствительные элементы входной по потоку группы;
4 - термочувствительные элементы выходной по потоку группы;
5 - термочувствительный элемент температурной коррекции.
Кристалл датчика расхода газов 1 изготавливается из кремния. На кристалле датчика располагается тонкая диэлектрическая мембрана 2 с минимальной теплопроводностью, которая может состоять из нескольких чередующихся слоев оксида и нитрида кремния. Число слоев не должно быть очень большим во избежание сильного провисания под своим весом, но обеспечивать при этом достаточную прочность мембраны. Термочувствительные «входные» и «выходные» резисторы 3 и 4 объединенные в термомост, формируются на диэлектрической мембране датчика и могут изготавливаться из таких материалов как платина, пермаллой и т.д. Терморезистор температурной коррекции 5 размещается на кремниевом кристалле датчика.
Датчик расхода газов калориметрического типа работает следующим образом.
При протекании потока газа через термочувствительные элементы 3 и 4, расположенные на мембране 2, тепловое облако, создаваемое термочувствительными элементами, смещается относительно центра мембраны, что вызывает изменение их температуры, а, следовательно, и сопротивления. В термомосте датчика потока возникает сигнал разбаланса, который затем должен быть передан на схему обработки сигналов. Термочувствительный резистор 5 на кристалле датчика вводится для корректировки температурной погрешности калориметрического способа измерения сигнала, получаемого с термочувствительных элементов, в схеме обработки сигналов. Использование четырех терморезисторов позволяет снизить требования к усилению сигнала разности температур при использовании калориметрического способа измерения скорости массового расхода газа. Поскольку ток в терморезисторах нагревателях достаточно высок и составляет единицы миллиампер, то сигнал о температуре терморезистора достаточно велик и не потребует значительного усиления для получения нормированного значения в несколько вольт.
2
3
4
2
3
4
2
-1
Примером конкретного исполнения может служить тепловой датчик расхода газов калориметрического типа, изготавливаемый на подложке кремния КЭФ 4,5 Ом⋅см с диаметром 150 мм и ориентацией (100). Размеры кристалла датчика расхода газов - 3×4 мм. Мембрана датчика толщиной 1,26 мкм состоит из четырех чередующихся слоев оксида и нитрида кремния - SiO (600 нм)/SiN (130 нм)/SiO (400 нм)/SiN (130 нм). Мембрана датчика имеет размеры - 500×750 мкм. Термочувствительные элементы мембраны выполнены из платины с толщиной 200 нм, ширина линии термочувствительного элемента - 5 мкм, длина термочувствительного элемента - 440 мкм. Роль проводящих контактов выполняет слой алюминия толщиной 200 нм. Для оценки требуемого усиления для сигнала с измерительного моста Уитстона примем, что при токе на диагонали в 2 мА, перепаде температуры между нагревателями в 15°С, сопротивлении отдельного термочувствительного элемента 600 Ом и включении четырех терморезисторов с температурными коэффициентами сопротивления а около 0,003°С в полный измерительный термомост Уитстона, сигнал на диагонали термомоста будет составлять 0,108 мВ, т.е. до уровня напряжения в 5 В достаточно будет усилить сигнал всего в 46 раз. Учитывая также то, что в каждой группе термочувствительные элементы размещены в непосредственной близости друг к другу для обеспечения более качественного теплового контакта, а группы разнесены между собой для минимизации теплообмена через мембрану и преобладания теплообмена через газ, можно сделать вывод о том, что предлагаемый тепловой датчик расхода газов будет обладать повышенными характеристиками точности и диапазона измерений по сравнению с упомянутым прототипом.
Источники информации
1. Патент Японии JP4505842 B2.
2. Международный патент WO 2020255788.
3. Патент США US20050006235 A1 - прототип.