ТЕРМОАНЕМОМЕТР И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
HEAT LOSS ANEMOMETER AND METHOD OF ITS MAKING

Изобретение относится к области микросенсоров, а именно к микроэлектромеханическим системам (МЭМС) для измерения потоков жидкостей и газов - МЭМС-термоанемометрам.
Известны термоанемометры, содержащие помещенный в поток нагреваемый элемент и средство для регистрации его температуры: о величине потока судят по теплоотводу от этого элемента (по установившейся температуре при постоянном теплоподводе или по величине теплоподвода, необходимого для поддержания постоянной температуры) [патенты US 3623364, 4244217, 4501144, 4135396, 4478076, 4283944, 4624138, 3992940, 4680963, 5237867].
Известны также термоанемометры, содержащие нагревательный элемент, помещаемый в измеряемый поток, и чувствительный к теплу элемент, установленный в том же потоке в заданном положении относительно нагревательного элемента: поток определяют при этом по интенсивности теплопереноса. Оба типа приведенных термоанемометров известны и в микроисполнении (в интегральном исполнении): они содержат нагреваемые током слои (полоски), нанесенные на поверхность подложки или тонкой мембраны, а также содержат термочувствительные слои (термосопротивления), нагреваемые теплом, переносимым измеряемым потоком от полосок, нагреваемых током [заявка US 20080053196, патенты US 3576050, 5243858, 6527835].
Недостатком приведенных анемометров является паразитный перенос тепла от нагревателя к термодатчику, искажающий результаты измерений, уменьшающий чувствительность анемометра, точность и пределы измерений, а также увеличивающий непроизводительный расход энергии нагревателем.
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является термоанемометр, нагревательный элемент и датчик температуры (термодатчик) или несколько термодатчиков которого сформированы на открытой измеряемому потоку поверхности тонкой мембраны [заявка US 20070011867, патенты US 5108193, 6631638], теплоперенос по объему которой мал из-за малости площади ее поперечного сечения. Для измерения температуры окружающей среды служит один из термодатчиков на мембране или вне ее.
Недостатком прототипа является наличие с обратной стороны мембраны (где нет нагревателя и термодатчика) среды с высокой теплопроводностью (порядка или больше теплопроводности мембраны), что приводит к проявлению тех же недостатков, что и у аналогов, хотя и в меньшей степени.
Целью предлагаемого изобретения является увеличение чувствительности, точности и пределов измерений термоанемометра.
Указанная цель достигается тем, что с обратной стороны мембраны (т.е. со стороны, противоположной лицевой, которая обращена к измеряемому потоку и на которой сформированы нагреватель и термодатчик) термоанемометра (по прототипу) выполнена полость, или заполненная материалом с низкой теплопроводностью, или вакуумированная. Низкой в данном случае предлагается считать теплопроводность, если коэффициент теплопроводности материала составляет менее 0,1 от коэффициента теплопроводности материала мембраны.
Полость с обратной стороны мембраны в варианте предлагаемого изобретения сформирована в процессе травления подложки для получения мембраны нужной толщины. Подобный вариант использован в связи с тем, что термоанемометры в микроисполнении особенно эффективны, когда сформированы на одном кристалле со схемой питания и обработки сигнала. При этом на мембране формируется преобразователь потока в электрический сигнал, а в объемной части того же материала формируется электронная схема питания прибора и обработки сигнала.
В варианте настоящего изобретения в качестве материала с низкой теплопроводностью предлагается использовать аргон или ксенон, имеющие теплопроводность 0,0177 Вт/(м·K) и 0,0057 Вт/(м·K), соответственно. У кремния, одного из самых используемых для производства подобных датчиков материала, теплопроводность составляет 149 Вт/(м·K).
При этом полость герметизируют в среде аргона или криптона крышкой путем приклеивания ее к подложке, или припаивания, или приваривания, или посадки на оптический контакт, или прижима через упругую прокладку. В качестве крышки используют пластину из материала подложки (мембраны) или стенку корпуса анемометра. Можно использовать крышки и из иных достаточно прочных и технологичных материалов.
Наиболее эффективен вариант изобретения, в котором полость вакуумирована. Для этого герметизацию полости проводят в вакууме.
Описанная герметизация может производиться и для негазообразных наполнителей полости - для стабилизации характеристик термоанемометра, например, путем защиты наполнителя от воздействия окружающей среды.
В другом варианте изобретения термоанемометр выполнен на мембране, вытравленной в подложке из кремния, а материалом с низкой теплопроводностью, заполняющим полость, является или стекло (коэффициент теплопроводности 1 Вт/(м·K)), или иное твердое вещество с низкой теплопроводностью. Вытравленная в кремниевой подложке мембрана может быть затем подвергнута дополнительным обработкам (окислению, наращиванию, нанесению диэлектрических или проводящих слоев и т.п.).
На Фиг.1 схематично (без изолирующих слоев, без проводящих дорожек и т.д.) изображен вариант предлагаемого термоанемометра, изготовленный на кремниевой подложке путем вытравливания полости в процессе создания мембраны. Цифрами обозначены:
1 - подложка,
2 - мембрана,
3 - нагреватель,
4 - термодатчик,
5 - вакуумированная полость,
6 - крышка.
2
3
4
Примером конкретного исполнения может служить термоанемометр, выполненный на подложке из кремния КЭФ 4,5 Ом·см с ориентацией (100) толщиной 460 мкм. Мембрана выполнена двухслойной (SiO - SiN) и имеет следующие размеры: длина - 1,2 мм, ширина - 0,5 мм, толщина - 2 мкм. Нагреватель выполнен в виде пленки из Pt толщиной 0,3 мкм, термодатчик выполнен в виде такой же пленки, крышкой служит пластина кремния, припаянная к подложке с помощью нанесенного слоя стекла толщиной 3 мкм. Крышка установлена в условиях низкого вакуума (давление 1,3 Па), поэтому в полости такой же вакуум. За пределами мембраны в слое кремния выполнены датчик температуры окружающей среды, а также электронная схема питания термоанемометра и обработки и передачи сигнала о величине измеряемого потока газа или жидкости.