Тепловая микросистема на полупроводниковой основе



Тепловая микросистема на полупроводниковой основе
Тепловая микросистема на полупроводниковой основе
G01K2013/024 - Измерение температуры; измерение количества тепла; термочувствительные элементы, не отнесенные к другим классам ( измерение температурных колебаний с целью компенсации их влияния на измерение других переменных величин или для компенсации ошибок в показаниях приборов для измерения температуры, см. G01D или подклассы, к которым отнесены эти переменные величины; радиационная пирометрия G01J; определение физических или химических свойств материалов с использованием тепловых средств G01N 25/00; составные термочувствительные элементы, например биметаллические G12B 1/02)

Владельцы патента RU 2648306:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого" (RU)
Открытое акционерное общество "ОКБ-Планета" (RU)

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения скорости и температуры потока неоднородных, химически агрессивных и абразивосодержащих газов. Предлагается устройство в виде тепловой микросистемы, выполненной из полупроводникового материала и состоящей из площадки круглой формы и конструктивно связанной с ней ножки, содержащей по крайней мере одно сквозное отверстие. Поверхность круглой площадки с двух сторон в пределах периметра содержит электропроводящий слой, в состав которого входят атомы Ni, Au, Ta, W, Al, Ti, Sb, Nb, Pt, Cr, Hf, Mo, Zr с внешними электрическими выводами и охранное кольцо в виде мезопланарной структуры. Также на ножке в пределах периметра содержится электропроводящий слой, в состав которого входят атомы Ni, Au, Ta, W, Al, Ti, Sb, Nb, Pt, Cr, Hf, Mo, Zr с внешними электрическими выводами и охранное кольцо в виде мезопланарной структуры. Кроме того, тепловая микросистема может содержать элементы электрической коммутации. Технический результат - повышение точности и достоверности получаемых результатов. 2 ил.

 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения скорости и температуры потока неоднородных, химически агрессивных и абразивосодержащих газов.

Известны термоанемометры (ТА), конструкция которых включает полупроводниковый термочувствительный элемент (ТЧЭ) на основе терморезистора, при этом нагрев ТЧЭ осуществляется с помощью постоянного или переменного электрического тока [Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества веществ: Справочник: Кн. 2 / Под общ. Ред. Е.А. Шорникова. - 5-е изд., перераб. и доп. - СПб.: Политехника, 2004].

Недостатками таких термоанемометров является сильная зависимость греющего тока от электрического сопротивления ТЧЭи, как следствие, невозможность использования ТЧЭ с высокими значениями электрического сопротивления, а также невозможность измерения химически агрессивных и абразивосодержащих газов ввиду использования традиционных материалов.

Известны термоанемометры, содержащие несколько терморезистивных элементов для устранения температурной зависимости (см. RU 2450277, G01P 5/12, G01K 13/02, 28.10.2009).

Недостатками таких термоанемометров является нелинейность температурной зависимости, вследствие чего возрастает погрешность измерения скорости потока. Кроме того, наличие большого числа элементов усложняет конструкцию.

Наиболее близким по техническому решению является принятый за прототип микроизлучатель (см. RU 2466361, G01J 5/00, 24.06.2011), состоящий из излучающей площадки, держателя и отверстия, нагрев которого осуществляется за счет процессов теплопередачи (конвекция + тепловая радиация) из окружающей среды. Микроизлучатель в рамках телевизионного метода позволяет измерять температуру газового потока.

Главным недостатком конструкции такого микроизлучателя является невозможность измерения скорости газового потока по принципу электрического термоанемометра. Кроме того, телевизионный метод измерения температуры газового потока с помощью микроизлучателя обладает большой погрешностью.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение универсальности устройства на базе конструкции микроизлучателя.

Технический результат - предлагаемая микросистема на базе конструкции микроизлучателя позволяет измерять и регистрировать скорость и температуру газовых потоков.

Для достижения указанного выше технического результата предложена конструкция тепловой микросистемы, выполненная из полупроводникового материала и состоящая из площадки круглой формы и ножки, содержащей по крайней мере одно сквозное отверстие, причем микросистема в пределах периметра круглой площадки с двух сторон содержит электропроводящий слой, в состав которого входят атомы Ni, Au, Ta, W, Al, Ti, Sb, Nb, Pt, Cr, Hf, Mo, Zr с внешними электрическими выводами и охранное кольцо в виде мезопланарной структуры. Поверхность ножки микросистемы также содержит электропроводящий слой, в состав которого входят атомы Ni, Au, Ta, W, Al, Ti, Sb, Nb, Pt, Cr, Hf, Mo, Zr с внешними электрическими выводами и охранное кольцо в виде мезопланарной структуры.

Как и в прототипе, теплообмен поверхности микросистемы с окружающей средой осуществляется за счет процессов конвекции и теплового излучения.

Предлагаемое устройство иллюстрируется следующими изображениями.

На фиг. 1 изображен вид спереди конструкции тепловой микросистемы.

На фиг. 2 изображена тепловая микросистема, вид сбоку.

Микросистема содержит круглую площадку 1, на поверхности которой с двух сторон находится электропроводящий слой 2, ножку 3, отверстие в ножке 4, электропроводящий слой на ножке 5, внешние выводы 6 в виде контактов А, В и С, несколько охранных колец в виде мезопланарной структуры, расположенных как на круглой площадке, так и на ножке с заданным диаметром 7.

Устройство работает следующим образом.

Одним из известных способов микросистему устанавливают в заданную область исследуемого изотермического газового потока так, чтобы все металлосодержащие области микросистемы находились в исследуемой среде, а саму микросистему ориентируют вдоль набегающего газового потока. При этом газовый поток может содержать пыль, мелкие частицы абразива, иметь химически агрессивный состав. Через контакты А, В пропускают электрический ток заданной величины, который вызывает разогрев терморезистора до определенного значения температуры, образованного круглой площадкой с контактами А, В. Так как часть электрического тока течет через слой материала, а другая часть по поверхности микросистемы, то предусмотрена канавка, наличие которой увеличивает электрическое сопротивление канала, а, следовательно, уменьшает ток утечки между контактами А и В. Разогретый терморезистор омывает набегающий газовый поток, вследствие чего отводит часть тепла от терморезистора. Падение напряжения, возникающее между контактами А, В, пропорционально скорости газового потока и измеряется известным способом [Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества веществ: Справочник: Кн. 2 / Под общ. Ред. Е.А. Шорникова. - 5-е изд., перераб. и доп. - СПб.: Политехника, 2004]. Так же как и в прототипе, сквозное отверстие блокирует отвод тепла в ножку, поэтому ножка имеет температуру равную температуре газового потока Тножкипотока. Для повышения точности измерения скорости газового потока задаем величину тока при помощи контроллера, значение которого будет определяться температурой потока Тпотока, которую мы измеряем контактами В, С. Значение электрического тока задается при значении температуры среды [Корляков А.В., Лучинин В.В., Никитин И.В. Применение SiC-микро-нагревательных систем в микросистемной технике // Микросистемная техника. 2000, №2, с. 27-31.]. При этом необходимо постоянно поддерживать разность температур, температура термоанемометра должна быть больше температуры газового потока.

Пример 1

В качестве примера известным способом была создана микросистема на основе монокристаллического карбида кремния политипа 6Н с концентрацией ND-NA≅3⋅1018 см-3. Диаметр круглой площадки 8 мм, длина ножки 10 мм, ширина 2 мм. На поверхности модели были изготовлены канавки на круглой площадке по периметру и на ножке глубиной 1 мкм и шириной 1,5 мкм. На заготовку известным способом микроэлектронных технологий нанесли слой никеля толщиной 1,5 мкм. В области ножки известным способом было создано сквозное отверстие диаметром 1,2 мм. В качестве внешних выводов использовалась золотая проволока. Микросистема, как и в прототипе, крепилась на держателе известным способом. Микросистема помещалась в газовый поток со скоростью 10 м/с и температурой 373 K. Через термоанемометр, посредством контактов А, В пропускали от источника электрический ток 0,3 А.

Пример 2

В качестве примера известным способом была создана микросистема на основе монокристаллического кремния. Диаметр круглой площадки 8 мм, длина ножки 10 мм, ширина 2 мм. На поверхности модели были изготовлены канавки на круглой площадке по периметру и на ножке

глубиной 1 мкм и шириной 1,5 мкм. На заготовку известным способом микроэлектронных технологий нанесли слой алюминия прямоугольной формы толщиной 1,5 мкм. В области ножки известным способом было создано сквозное отверстие диаметром 1,2 мм. В качестве внешних выводов использовалась золотая проволока. Микросистема, как и в прототипе, крепилась на держателе известным способом. Микросистема помещалась в газовый поток со скоростью 10 м/с и температурой 333 K. Через термоанемометр, посредством контактов А, В пропускали от источника электрический ток 0,1 А.

Предлагаемое изобретение позволяет получить следующий технический результат: микросистема позволяет измерять и регистрировать скорость и температуру газовых потоков за счет примененной и усовершенствованной конструкции прототипа.

Тепловая микросистема на полупроводниковой основе, состоящая из площадки круглой формы и ножки, содержащей, по крайней мере одно сквозное отверстие, отличающаяся тем, что круглая площадка в пределах периметра с двух сторон содержит электропроводящий слой, в состав которого входят атомы Ni, Au, Ta, W, Al, Ti, Sb, Nb, Pt, Cr, Hf, Mo, Zr, с внешними электрическими выводами и охранное кольцо в виде мезопланарной структуры, поверхность ножки микросистемы также содержит электропроводящий слой, в состав которого входят атомы Ni, Au, Ta, W, Al, Ti, Sb, Nb, Pt, Cr, Hf, Mo, Zr, с внешними электрическими выводами и охранное кольцо в виде мезопланарной структуры.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения физических параметров и скорости потоков жидкостей и газов. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения и повышение быстродействия способа. Суть способа состоит в том, что в потоке локально устанавливают три идентичных терморезисторных элемента с подогревом - охлаждением управляемыми контролируемыми источниками разной переменной мощности, измеряют сопротивления терморезисторных элементов во времени, определяют мгновенные значения температуры терморезисторных элементов и их производных, определянэт мгновенное значение параметра потока по градуировочной зависимости от интегрального коэффициента теплообмена a(t)S тер-морезисторного элемента со средой или по градуировочной зависимости от теплоемкости тс терморезисторного элемента, которые вычисляют.по формулам где θ1(t), θ2(t) и θ3(t) - мгновенные температуры первого, второго и третьего терморезисторных элементов; θ1'(t), θ2'(t) и θ3'(t) - мгновенные производные температур первого, второго и третьего терморезисторных элементов; Ρ1(t), Ρ2(t) и Ρ3(t) - мгновенные мощности нагрева первого, второго и третьего терморезисторных элементов, температуру потока θc(t) определяют по формуле. .

Изобретение может быть использовано для измерения скорости течений и ветра, а также расхода жидкостей и газа в трубопроводах. Технический результат - повышение точности, упрощение технической реализации способа измерения скорости потока и расширение областей применения. Сущность: для измерения скорости направленного потока используют первичный измерительный преобразователь меток в потоке с равномерно распределенной измерительной базой известной длины L, размещают измерительную базу в потоке под известным острым углом α к направлению потока, подают выходной сигнал R(t) первичного, измерительного преобразователя через вторичный измерительный преобразователь на спектроанализатор, вычисляют известным способом текущую за время Τ функцию спектральной плотности сигнала SR(f).

Изобретение относится к термоанемометрическим средствам измерения скорости и направления потока жидкости или газа и может быть применено при исследовании различных сред, в том числе агрессивных, в любых водоёмах и в атмосфере. Технический результат каждого из изобретений, входящих в заявленную группу - повышение чувствительности.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения параметров потоков жидкостей и газов. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения и расширение функциональных возможностей способа. Способ измерения параметров газовых и жидких сред датчиком температуры с подогревом по периодической функции, на фоне постоянной составляющей, включает фиксацию температуры датчика и мощности подогрева, а также использование градуировочных зависимостей параметров среды от параметров датчика.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения скорости и температуры в потоках газов и жидкостей. Предлагается устройство термоанемометра, в котором на одной оптической оси последовательно друг за другом расположены источник света, ТЧЭ в виде терморезистивной структуры с внешними электрическими выводами и пластина, выполняющая роль отражающей поверхности.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано при выполнении анемометрических измерений. Заявлен анемометрический зонд с проволочкой или с n (n≥1) проволочками, параллельными между собой, для измерения вблизи стенки, содержащий для каждой проволочки два стержня (4, 6) крепления проволочки.

Изобретение относится к устройству и способу измерения скорости, направления и ориентации течения газообразной текучей среды, такой, например, как воздух. .

Изобретение относится к области исследования скважин и может быть использовано при контроле разработки нефтяных месторождений. .

Изобретение относится к устройству измерения потока для определения направления потока флюида. .

Изобретение относится к устройству измерения потока для определения направления потока флюида. .

Держатель нанокалориметрического сенсора для измерения теплофизических параметров образца, а также структуры и свойств его поверхности дает возможность проведения экспериментов с одновременным использованием данных методов, что позволяет проводить in-situ исследования структуры и свойств поверхности, а также теплофизических свойств материалов различного типа с возможностью одновременного снятия базовой линии.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в системах контроля технологических процессов. Система датчиков содержит технологический измерительный преобразователь, вибродатчик без внешнего питания и технологический трансмиттер.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения температуры нестационарного газового потока, теплового импульса потока, скорости движения фронта теплового возмущения, зависимости скорости движения фронта теплового возмущения от расстояния до источника его возникновения.

Измерительный преобразователь (260) технологической переменной для восприятия технологической переменной технологической текучей среды в промышленном процессе включает в себя технологическую прокладку (200), имеющую поверхность, выполненную с возможностью образования уплотнения с поверхностью технологического резервуара.

Изобретение относится к ультразвуковому расходомеру для измерения скорости потока и/или расхода текучей среды. Ультразвуковой расходомер содержит: измерительный преобразователь, имеющий соединительные фланцы для присоединения трубопроводов текучей среды и среднюю часть, выполненную с возможностью пропускания текучей среды, по меньшей мере два помещенных в среднюю часть ультразвуковых преобразователя, которые образуют пару ультразвуковых преобразователей и между которыми установлена измерительная цепь, проходящая через поток, датчик давления, удерживаемый в средней части в гнезде датчика давления и имеющий сообщение по текучей среде с внутренностью средней части через гнездо поршня, калибровочный вывод, удерживаемый в средней части в гнезде калибровочного вывода и имеющий сообщение по текучей среде с внутренностью средней части через гнездо поршня, причем поршень в гнезде поршня выполнен с возможностью приведения в два положения, при этом в первом положении датчик давления имеет сообщение по текучей среде с внутренностью средней части, а во втором положении датчик давления через гнездо поршня имеет сообщение по текучей среде с калибровочным выводом.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в системах контроля технологических процессов. Система датчиков содержит технологический измерительный преобразователь, вибродатчик без внешнего питания и технологический трансмиттер.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения температуры нестационарного газового потока, теплового импульса потока, скорости движения фронта теплового возмущения, зависимости скорости движения фронта теплового возмущения от расстояния до источника его возникновения.

Изобретение относится к энергетике, в частности к датчикам температуры универсальным, используемым в газогорелочных устройствах для сжигания газа в котлах наружного размещения, и может быть использовано в бытовых газовых аппаратах для автоматического поддержания температуры теплоносителя.

Изобретение относится к термометрии и может быть использовано для измерения быстропротекающих температурных процессов в газодинамике. Предложено дифференциальное устройство измерения температуры газового потока, состоящее из двух каналов измерения, каждый из которых содержит струйный генератор и пьезоэлектрический преобразователь.

Изобретение относится к термометрии и может быть использовано для измерения температуры быстропротекающих высокотемпературных процессов в газодинамике. Устройство представляет собой металлический блок, выполненный в виде соединенного с корпусом цилиндра с продольным осевым каналом, в котором размещена термопара, представляющая собой металлическую трубку с керамической вставкой, в которой проходят термопарные провода, выступающие на конце термопары за пределы металлической трубки с керамической вставкой и соединенные в рабочий спай.

Изобретение относится к области контактных измерений температуры высокотемпературных газов, в частности к средствам измерения температуры газа и распределения ее значений в полостях высокотемпературных элементов газотурбинных двигателей, и может быть применено для экспериментальных исследований рабочего процесса силовых установок при проведении аэродинамических испытаний.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения скорости и температуры потока неоднородных, химически агрессивных и абразивосодержащих газов. Предлагается устройство в виде тепловой микросистемы, выполненной из полупроводникового материала и состоящей из площадки круглой формы и конструктивно связанной с ней ножки, содержащей по крайней мере одно сквозное отверстие. Поверхность круглой площадки с двух сторон в пределах периметра содержит электропроводящий слой, в состав которого входят атомы Ni, Au, Ta, W, Al, Ti, Sb, Nb, Pt, Cr, Hf, Mo, Zr с внешними электрическими выводами и охранное кольцо в виде мезопланарной структуры. Также на ножке в пределах периметра содержится электропроводящий слой, в состав которого входят атомы Ni, Au, Ta, W, Al, Ti, Sb, Nb, Pt, Cr, Hf, Mo, Zr с внешними электрическими выводами и охранное кольцо в виде мезопланарной структуры. Кроме того, тепловая микросистема может содержать элементы электрической коммутации. Технический результат - повышение точности и достоверности получаемых результатов. 2 ил.

Наверх