Устройство для измерения скорости газового потока и перепада давления

 

Использование: для измерения скорости газового потока и перепада давления в различных отраслях промышленности, медицинской технике и научных исследованиях. Сущность изобретения: устройство содержит микроэлектронный термоанемометр, состоящий из термочувствительных и нагреваемых элементов, расположенных на диэлектрической пенке из нитрида кремния, накрывающей углубление в кремниевой подложке; корпус, в основании которого в заданном положении зафиксирован микроэлектронный термоанемометр, соединенный проводниками с электрическими выводами; в крышке корпуса сформирован канал, имеющий вход и выход для протекания газового потока через микроэлектронный термоанемометр. Новым в предлагаемом устройстве является то, что в крышке корпуса выполнено углубление, накрывающее проводники и отделенное от канала для протекания газового потока; углубление в кремниевой подложке имеет сквозной выход к обратной стороне подложки, причем диэлектрическая пленка, накрывающая углубление, выполнена сплошной и имеет по периметру углубления непрерывный контакт с кремниевой подложкой. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения скорости газового потока и перепада давления в различных отраслях промышленности, медицинской технике и научных исследованиях.

Известны конструкции датчиков для измерения скорости газового потока и перепада давления (1), представляющие собой термоанемометр, содержащий несколько термочувствительных и нагреваемых элементов. Принцип измерения сводится к определению изменения теплоотдачи от нагреваемого элемента в газовую среду при протекании газового потока. К недостаткам подобных датчиков следует отнести их ненадежность и низкую воспроизводимость рабочих характеристик.

Наиболее близким к изобретению является устройство для измерения газового потока и перепада давления (2), содержащее микроэлектронный термоанемометр, состоящий из трех терморезисторов, расположенных на диэлектрической пленке из нитрида кремния, накрывающей углубление в кремниевой подложке и корпус, в основании которого в заданном положении зафиксирован микроэлектронный термоанемометр. Центральный терморезистор разогревают, а два боковых используют для измерения разности температур, возникающей при протекании газа. Канал для протекания газа сформирован в крышке корпуса. Микроэлектронный термоанемометр соединен проволочными проводниками с электрическими выводами устройства. Проволочные проводники расположены в области газового канала. В диэлектрической пленке имеются окна, через которые производят анизотропное травление для выполнения углубления в кремниевой подложке.

Необходимо отметить, что конструктивные особенности известного устройства и технологические методы его изготовления взаимосвязаны. Так, наличие по крайней мере одного окна, вскрытого в диэлектрической пленке, необходимо для проведения анизотропного травления с лицевой стороны кремниевой подложки с целью получения углубления в ней и подтравливания под пленку. Такая конструкция имеет ряд недостатков.

Улучшение тепловой изоляции терморезисторов, необходимое для повышения чувствительности устройства, достигается за счет уменьшения толщины диэлектрической пленки, увеличения ее площади и глубины вытравленного углубления. Однако при этом снижается механическая прочность диэлектрической пленки. При изготовлении известного устройства выделяющиеся при травлении углубления пузырьки газа могут разрушить диэлектрическую пленку. Для предотвращения этого эффекта ограничивают ее площадь, а толщину пленки делают не менее 0,8-1,0 мкм, уменьшая тем самым чувствительность устройства.

Кроме этого, протекание газового потока через микроэлектронный термоанемометр вызывает движение газа непосредственно в углублении под диэлектрической пленкой, что дополнительно влияет на интенсивность передачи тепла от нагреваемого терморезистора. А поскольку характер такого движения является турбулентным, возрастает уровень шума при измерениях. При этом проволочные проводники, расположенные в области газового канала, также являются источником возмущений газового потока и причиной дополнительного шума.

В известном устройстве сопротивление нагреваемого терморезистора зависит от температуры окружающей среды. Вследствие этого при изменении температуры окружающей среды изменяется рассеиваемая на нем тепловая мощность. В результате этого происходит значительное изменение чувствительности устройства, что приводит к дополнительной погрешности при измерениях.

Диапазон измеряемых перепадов давлений в известном устройстве однозначно зависит от геометрии газового канала. Возможность его увеличения ограничена тем, что при больших потоках газа микроэлектронный термоанемометр переходит в режим насыщения. Таким образом, известное устройство не адаптировано к измерениям в широком диапазоне перепадов давления.

Следует отметить, что в известном устройстве микроэлектронный термоанемометр расположен на основании корпуса таким образом, что терморезисторы ориентированы перпендикулярно вектору скорости газового потока. Нарушение ориентации приводит к изменению чувствительности устройства и разбросу параметров при массовом изготовлении устройств.

Техническим результатом изобретения является такое усовершенстование устройства для измерения скорости газового потока и перепада давления, которое позволяет снизить уровень шума, повысить чувствительность устройства, уменьшить температурную чувствительность, расширить диапазон измеряемых перепадов давления и улучшить воспроизводимость рабочих характеристик устройства при массовом его изготовлении.

Указанный результат достигается за счет того, что в устройстве для измерения газового потока и перепада давления, содержащем микроэлектронный термоанемометр, состоящий из термочувствительных и нагреваемых элементов, расположенных на диэлектрической пленке из нитрида кремния, накрывающей углубление в кремниевой подложке, корпус, в основании которого в заданном положении зафиксирован микроэлектронный термоанемометр, соединенный проводниками с электрическими выводами, а в крышке корпуса сформирован канал, имеющий вход и выход для протекания газового потока через микроэлектронный термоанемометр, в крышке корпуса выполнено углубление, накрывающее проводники и отделенное от канала для протекания газового потока, а углубление в кремниевой подложке имеет сквозной выход к обратной стороне подложки, причем диэлектрическая пленка, накрывающая углубление, выполнена сплошной и имеет по его периметру непрерывный контакт с кремниевой подложкой.

В частных случаях использования устройства диэлектрическая пленка содержит подслой термической двуокиси кремния толщиной 0,05 0, мкм, термочувствительные элементы состоят из слоя никеля с подслоем титана; нагреваемый элемент состоит из поликремния; крышка корпуса дополнительно снабжена по крайней мере одним узлом с калиброванным отверстием; канал для протекания газового потока и микроэлектронный термоанемометр взаимозафикситрован.

На фиг. 1 представлен микроэлектронный термоанемометр; на фиг 2 и 3 - размещение микроэлектронного термоанемометра в корпусе.

Как показано на фиг.1, в кремниевой подложке 1 сформировано сквозное углубление 2. Диэлектрическая пленка, состоящая из слоя нитрида кремния 3 и подслоя термической двуокиси кремния 4, покрывает углубление 2, выполнена сплошной и имеет непрерывный контакт с подложкой 1 по периметру углубления 2. На диэлектрической пленке расположены термочувствительные 5 и 6 и нагреваемый 7 элементы. Элементы 5, 6 и 7 ориентированы перпендикулярно вектору скорости газового потока и вместе с подложкой 1 составляют микроэлектронный термоанемометр 8.

Как показано на фиг.2, корпус устройства имеет основание 9, крышку 10 и электрические вывода 11. В крышке корпуса сформирован канал 12 для протекания газового потока и выполнено углубление 13, отделенное от него. Микроэлектронный термоанемометр 8 зафиксирован на основании 9 (например, приклеен) и соединен противоположными проводниками 14 с электрическими выводами 11, при этом канал 1 накрывает микроэлектронный термоанемометр 8, а углубление 13 накрывает проводники 14. Основание корпуса 9 имеет также выступ 15, а крышка корпуса 10 соответствующее углубление 16. В собранном состоянии выступ 15 и углубление 16 совмещены. Вход 17 и выход 18 канала 12 соединены с узлами в виде штуцеров 19 и 20 с калиброванными отверстиями, как показано на фиг.3.

Принцип работы устройства заключается в следующем. Нагреваемый элемент 7 разогревают электрическим током и измеряют разность температур ΔT термочувствительных элементов 5 и 6. Поток q через канал 12 вызывает изменение величины ΔT (при q=0, ΔT=0 ). По известной калибровочной зависимости ΔT(q) определяют величину измеряемого газового потока.

Конструкция устройства устраняет возмущение газового потока в канале, сформированном в крышке корпуса, и препятствует возникновению турбулентности в нем, поскольку поверхность диэлектрической пенки, накрывающей углубление, выполнена сплошной, без окон, а проводники, соединяющие микроэлектронный термоанемометр с электрическими выводами, вынесены из области потока и скрыты в углублении. Уменьшение уровня шума при измерениях в этом случае связано с поддержанием ламинарного режима газового потока в непосредственной близкости от нагреваемого и термочувствительных элементов.

Повышение чувствительности устройства достигается за счет улучшения тепловой изоляции нагреваемого и термочувствительных элементов от подложки и увеличения теплового контакта с газовым потоком. Этому способствует уменьшение толщины пленки и увеличение ее площади. Для достижения этого и получения при этом механически прочной структуры необходимо использовать диэлектрические слои с высоким структурным совершенством. Такими свойствами обладают пленки из нитрида кремния, получаемые высокотемпературным плазмохимическим осаждением. Однако известно, что такие пленки, полученные на поверхности кремния, обладают большими встроенными механическими напряжениями. Для снятия этих напряжений в диэлектрической пленке предлагается использовать слой термической двуокиси кремния толщиной 0,05 0,1 мкм. Использование комбинированной структуры диэлектрической пленки позволяет получать ненапряженные сплошные мембраны площадью до 1 мм х 1 мм при толщине около 0,2 мкм, что позволяет существенно повысить чувствительности устройства. Использование подслоя из двуокиси кремния толщиной более 0,1 мкм приводит к увеличению механических напряжений. При толщинах менее 0,05 мкм ухудшаются механическая структура и однородность подслоя.

Термочувствительные элементы могут быть выполнены из слоя никеля с подслоем титана. При толщине никеля около 0,2 мкм и титана 0,5 мкм данные терморезисторы обладают высокой стабильностью и температурным коэффициентом сопротивления около 0,004 I/K. Типичные значения номиналов терморезисторов могут достигать значения 200 400 Ом.

Изменение температуры окружающей среды приводит к изменению сопротивления терморезистивного нагреваемого элемента и рассеиваемой на нем тепловой мощности.

В связи с этим, если не обеспечивается автоматическое поддержание постоянной температуры перегрева элемента по отношению к температуре окружающей среды, возможно значительное изменение чувствительности устройства, что приводит к дополнительной погрешности измерений. Для устранения данного недостатка нагреваемый элемент может быть изготовлен из поликремния с малым температурным коэффициентом сопротивления. Известно, что при уровне легирования поликремния более 10²⁰ см^-3 его температурный коэффициент сопротивления не превышает 2·10^-5I/K.

Использование термостабильного нагреваемого элемента позволяет поддерживать постоянной величину рассеиваемой на нем тепловой мощности и уменьшить температурную чувствительность устройства.

Для расширения диапазона измеряемых перепадов давлений в устройстве установлены узлы с калиброванными отверстиями (штуцеры), ограничивающими скорость газового потока. Если пневматические сопротивления узлов намного больше пневматического сопротивления канала, то при перепаде давлений ΔP через канал протекает поток где d диаметр отверстия штуцеров; l их длина; h вязкость газа.

Пусть q_max максимальный поток, регистрируемый микроэлектронным термоанемометром. Для того, чтобы измерять перепад давлений в диапазоне до DP_max необходимо установить в корпусе устройства штуцера с диаметром отверстий.

При необходимости адаптировать устройство к измерениям в более широком диапазоне перепадов давления достаточно установить штуцеры с диаметром отверстий, определяемым уравнением (2), либо подсоединить к ним дополнительно аналогичное узлы с калиброванным отверстием, ограничивающие поток через микроэлектронный термоанемометр.

При массовом изготовлении устройства улучшение воспроизводимости его рабочих характеристик достигается за счет поддержания заданной ориентации микроэлектронного термоанемометра по отношению к каналу для протекания газового потока. Так, одним из примеров реализации этой задачи является то, что основание корпуса имеет выступ определенной формы, а крышка корпуса - соответствующее углубление. При сборке выступ входит в углубление, обеспечивая автоматически требуемую ориентацию канала для протекания газового потока по отношению к микроэлектронному термоанемометру.

При использовании устройства в конкретных применениях в него могут быть внесены дополнительные изменения. Например, микроэлектронный термоанемометр 8 может содержать один или два терморезистора, может изменяться форма канала 12, конструкция узлов 19 и 20 и т.д.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения скорости газового потока и перепада давления, содержащее микроэлектронный термоанемометр, состоящий из термочувствительных и нагреваемых элементов, расположенных на диэлектрической пленке из нитрида кремния, накрывающей углубление в кремниевой подложке, корпус, в основании которого в заданном положении зафиксирован микроэлектронный термоанемометр, соединенный проводниками с электрическими выводами, а в крышке корпуса сформирован канал, имеющий вход и выход для протеканния газового потока через микроэлектронный термоанемометр, отличающееся тем, что в крышке корпуса выполнено углубление, накрывающее проводники и отделенное от канала для протекания газового потока, а углубление в кремниевой подложке имеет сквозной выход к обратной стороне подложки, причем диэлектрическая пленка, накрывающая углубление, выполнена сплошной и имеет по его периметру непрерывный контакт с кремниевой подложкой.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что диэлектрическая пленка содержит подслой термической двуокиси кремния толщиной 0,05 0,1 мкм.

3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что термочувствительные элементы состоят из слоя никеля с подслоем титана.

4. Устройство по пп.1 3, отличающееся тем, что нагреваемый элемент состоит из поликремния.

5. Устройство по пп.1 4, отличающееся тем, что крышка корпуса дополнительно снабжена по крайней мере одним узлом с калиброванным отверстием.

6. Устройство по пп.1 5, отличающееся тем, что канал для протекания газового потока и микроэлектронный термоанемометр взаимозафиксированы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2