Датчик теплового потока

 

Изобретение относится к области микроэлектроники и оптоэлектроники. Датчик содержит кремниевую подложку, на которой последовательно расположены мембрана и термопары. Горячие и холодные спаи термопар расположены на тонкой и толстой части мембраны. Термопары соединены в батарею. При этом термопары выполнены из монокристаллического кремния и алюминия, а мембрана выполнена из монокристаллической диэлектрической пленки фторида кальция. Изобретение позволяет повысить чувствительность датчика и его технологичность. 1 ил.

Изобретение относится к области микроэлектроники и оптоэлектроники, в частности к конструкции датчика теплового потока и может быть использовано для измерения процессов теплообмена внутри структуры, для контроля температуры внутри теплостатированных объемов; температурного контроля в зданиях для сохранения используемой энергии; для проверки эффективности тепловой изоляции; для изучения и тестирования проблем излучения и конвекции (тепломассопереноса) в теплообменных системах; для изучения телообмена в аэродинамических трубах.

Известны конструкции датчиков теплового потока термоэлектрического типа, изготовленных на основе батареи термопар. Основным элементом термопары является спай между двумя разнородными материалами. В основу измерения температур с помощью термопары положен эффект Зеебека.

где ΔЕ -величина термоЭДС, В; α _T -коэффициент термоЭДС, В/К; ΔТ=Т ₂-T₁ - разность температур горячего и холодного спаев, К. Таким образом, измерение температуры термопарой сводится к измерению термоЭДС, которую термопара развивает при строго фиксированной температуре одного из спаев [1].

В качестве термоэлектрической пары выбирают комбинацию материалов, создающую достаточно высокую термоЭДС (разница коэффициентов термоЭДС материалов должна быть как можно больше) и пригодных для данного интервала рабочих температур. Для увеличения чувствительности используют последовательное включение нескольких термопар. Также увеличения чувствительности можно добиться при использовании в качестве термоэлектрической пары материалов с высоким коэффициентом термоЭДС. Такими материалами, как известно, являются полупроводники.

Достоинством полупроводниковых термоэлектрических датчиков является простота изготовления и отсутствие источника питания, линейный выходной сигнал, в большинстве случаев не требующий усиления даже при небольшой разнице температур спаев благодаря большой величине коэффициента термоЭДС у полупроводниковых материалов. Падающий поток поглощается воспринимающей, зачерненной площадкой. При динамическом режиме работы теплового сенсора термостабилизация отсутствует. В статическом режиме термостабилизация осуществляется за счет принудительного охлаждения.

Известна конструкция датчика теплового потока, в которой в качестве термоэлектрической пары используется контакт полупроводник - металл, например кремний-аллюминий [2]. Холодные концы этой батареи находятся на теплоотводящем основании, имеющим постоянную температуру (термостат), а нагреваемые концы располагаются в области падающего теплового потока.

Чувствительный элемент датчика представляет собой кремниевую структуру, состоящую из подложки n-типа проводимости, в которой сформирована путем диффузии система из дорожек р-типа проводимости. Эти кремниевые дорожки путем металлизации алюминием соединены последовательно по выходному сигналу, а р-n переход используется для изоляции дорожек дырочного типа от несущей основы.

Чувствительность этих приборов порядка 15-20 мВм²/кВт, а быстродействие порядка 5·10^-3 с.

Недостатком указанных сенсоров теплового потока является низкая чувствительность, обусловленная:

-высокой концентрацией дырок в диффузионных слоях;

-значительным теплообменом, обусловленным толстой подложкой (350-500 мкм), и ее высокой удельной теплопроводностью, который приводит к низкому тепловому сопротивлению указанной структуры и снижению измеряемой разности температур.

Основным методом снижения теплообмена является уменьшение теплового потока вдоль подложки от нагреваемого зачерненного пятна к периферии (контактам) за счет уменьшения толщины подложки, на которой сформирована система термопар.

Известна конструкция датчика теплового потока, главной особенностью которого является использование в качестве несущей основы мембраны, что обеспечивает больший перепад температуры, а, следовательно, и больший выходной сигнал [3].

Устройство [3] представляет собой мембрану 3,5 мм х3,5 мм, холодные и горячие спаи располагаются на толстой и тонкой части мембраны соответственно.

Недостатком конструкции является:

- сложность технологии получения мембран одинаковой толщины по всему полю (от 30 до 40 мкм)

- высокая теплопроводностью кремния,

- необходимость формировать кремниевые элементы р-типа в подложке n-типа методами ионной имплантации или диффузии до р=10¹⁸ см^-2. При этом коэффициент термоЭДС в кремнии уменьшается почти на порядок.

- увеличение токов утечки и собственный разогрев термоэлементов.

Для повышения чувствительности датчиков теплового потока в качестве мембран желательно использовать диэлектрические слои, обладающие меньшей теплопроводностью и хорошей диэлектрической изоляцией.

Известна конструкция датчика теплового потока [4], выбранного в качестве прототипа, содержащая кремниевую подложку, на которой последовательно располагаются мембрана из аморфного слоя оксида (или нитрида) кремния и поликремний-алюминиевые (или золотые) термопары, соединенные параллельно термически и последовательно электрически. Горячие спаи термопар расположены в центре тонкой оксидно/нитридной мембраны, а холодные вокруг кремниевого кольца жесткости [4].

С нижней стороны подложки кремний вытравливается до оксидной пленки. Слой поликремния легируется до концентрации 10¹⁸ см^-3, после чего в нем вытравливаются меза-структуры и методами фотолитографии создаются металлические (Аl или Аu) контакты.

Использование структуры поликремний на оксиде исключает проблему изоляции рабочих элементов чувствительного элемента. Еще одно достоинство состоит в том, что возможно получение такой структуры, когда все рабочие элементы располагаются на тонком диэлектрическом окисле кремния изолированно от монолита кремния. Такая структура обладает высоким тепловым сопротивлением, т.к. пленка оксида тонкая и имеет малую теплопроводность.

Недостатками известной конструкции [4] является недостаточная технологичность из-за необходимости проведения дополнительной операции ионного легирования, что усложняет процесс изготовления, и невысокая чувствительность из-за:

- низкого коэффициента термоЭДС поликремневой пленки (116-154 мкВ/град [3]) по сравнению с монокристаллическим кремнием (575 мкВ/град [5]), что приводит к снижению чувствительности датчика более чем в 5 раз (при одинаковых размерах воспринимающей площадки),

- наличия межзеренных границ в поликремнии, что приводит к сегрегации легирующей примеси, в частности, к неоднородному распределению удельного сопротивления в поликремнии, что, в свою очередь, приводит к нестабильности чувствительности датчика как в зависимости от материала, так и от температуры,

- повышенного рассеяния в поликремнии, что снижает подвижность носителей (аналогично действует и захват носителей ловушками, содержание которых в поликремнии повышено) и приводит к снижению коэффициента термоЭДС и чувствительности датчика,

- того, что температурный коэффициент сопротивления поликремния часто большой и отрицательный ≈-2,5×10 ^-2К^-1 при температуре 300К, в то время как для монокристаллического кремния температурный коэффициент сопротивления составляет +2×10^-3K^-1 [6].

Задачей изобретения является повышение чувствительности датчика и его технологичности.

Поставленная задача достигается тем, что датчик теплового потока термоэлектронного типа содержит кремниевую подложку, на которой последовательно расположены мембрана и термопары, горячие и холодные концы которых расположены на тонкой и толстой части мембраны соответственно, а сами термопары соединены в батарею, при этом термопары выполнены из монокристаллического кремния, а мембрана выполнена из монокристаллической диэлектрической пленки фторида кальция.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлена конструкция датчика теплового потока термоэлектрического типа на основе монокристаллической Si-Al термопары, измеряющего тепловые потоки малого уровня.

Датчик содержит кремниевую подложку (1), на которой последовательно располагаются мембрана из фторида кальция (2) и термопары из монокристаллического кремния (3) и алюминия (4). На кремниевой подложке (1) методом МЛЭ выращивается слой фторида кальция (2). Затем на слое СаF₂ (2) выращивался эпитаксиальный слой монокристаллического n-Si, в котором с помощью плазмохимического травления формируются чувствительные элементы (3) в виде мезоструктур, затем напыляется Аl (4).

Датчик работает следующим образом. Тепловой поток (5) падает на воспринимающую площадку (6), расположенную в центре, а периферия находится в условиях термостабилизации, которая обеспечивается холодильником или устройством корпуса. В теле датчика возникает градиент температур. Выходной сигнал пропорционален разности температур между горячим (6) и холодным спаем (7).

Датчики с эпитаксиальным слоем CaF₂ имеют абсолютно ровный профиль мембраны и меньшую толщину чувствительного элемента. Тонкая часть пластины, а именно она определяет градиент температур, составляет 2 мкм (толщина CaF₂ 1 мкм, толщина монокристаллического Si над CaF₂ менее 1 мкм), что повышает выходной сигнал, а, следовательно, и чувствительность датчика. Являясь хорошим диэлектриком, СаF₂ исключает токи утечки через подложку. Монокристаллический кремний имеет более высокий коэффициент термоЭДС и подвижность носителей, чем поликремний, что также приводит к повышению чувствительности датчика. Технологический маршрут изготовления датчика короче на одну операцию, т.к. исключена операция ионного легирования, что повышает технологичность предложенного датчика теплового потока.

Для выбора оптимальных геометрических размеров сенсора было рассчитано тепловое поле в теле мембраны. Расположение горячих спаев на воспринимающей площадке в центре мембраны, а холодных -у бортика мембраны приводит к наибольшему выходному сигналу. Соединение термопар параллельно по входному и последовательно по выходу позволяет получить выходной сигнал, равный сумме сигналов единичных термопар:

Е=αΔTn

где n - число термопар.

Литература

1. Киреев П.С. Физика полупроводников. - М., 1969.

2. Рубцов, Дикарева Р.П., Киселев Г.А., Аверков Е.И. Полупроводниковые приемники лучистых тепловых потоков, Известия Сибирского отделения Академии наук СССР, Серия технических наук, вып.6, “Наука”, Новосибирск.

3. Jiangou Lu., Bing Xiong and Chenglu Lin, Structure and properties of silicon-metal thermopile, Sensors and Actuators A 35, 1993.

4. Choi and Wise, Micromachined thermopile IR Detector, Micromachined Transducers Sourebook, 1993.

5. Иоффе А. Избранные труды. - Л.: Наука, 1975, с.384.

6. Поликристаллические полупроводники. Физические свойства и применения./Под ред. Г. Харбеке. - М.: Мир, 1989, с.252.

Формула изобретения

Датчик теплового потока термоэлектронного типа содержит кремниевую подложку, на которой последовательно расположены мембрана и термопары, горячие и холодные спаи которых расположены на тонкой и толстой частях мембраны соответственно, а сами термопары соединены в батарею, отличающийся тем, что термопары выполнены из монокристаллического кремния и алюминия, а мембрана выполнена из монокристаллической диэлектрической пленки фторида кальция.

РИСУНКИ