Микронагреватель

Реферат

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, более конкретно - к микроприборам, в которых требуется поддержание заданной, повышенной по сравнению со средой температуры. Микронагреватель содержит резистор, токовводы и металлические контактные площадки. Резистор и токовводы выполнены из монокристаллической кремниевой фольги. Микронагреватель имеет форму полоски переменного сечения, широкая часть которой является резистором, а узкая - токовводами, в которых сформированы области низкоомного кремния и имеется силицидное покрытие. При этом окончания токовводов выполняются в виде площадок с сформированными на них металлическими контактами. В результате получен микронагреватель с малой инертностью, большим диапазоном рабочих температур, экстремальным характером зависимости сопротивления от температуры. 2 ил.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, более конкретно - к микроприборам, в которых требуется поддержание заданной, повышенной по сравнению со средой температуре. Может быть использовано для нагрева до рабочей температуры каталитических слоев газоанализаторов, в катарометрах хроматографов, при термостатировании микросхем, кварцевых резонаторов, в расходомерах жидкостей и газов, уровнемерах, вакууммметрах. Конструкция монокристаллического кремниевого терморезистивного сенсора (патент РФ N 2058604, бюллетень изобретений N 11, 1996), изготавливаемого по технологии, близкой к КСДИ (кремниевые структуры с диэлектрической изоляцией), принята в качестве аналога.

Известны микронагреватели на основе металлических сплавов типа нихрома (Зайцев Ю. В. , Громов В.С., Григораш Т.С. Полупроводниковые термоэлектрические преобразователи. Радио и связь, 1985). В данном случае сплав наносится на пластину кремния, пассивированного пленкой SiO2), далее с помощью фотолитографии производится формирование токопроводящих дорожек микронагревателя и металлизированных контактов к нему. Такая конструкция выбрана нами за ближайший прототип.

Недостатки этого нагревателя состоят в следующем.

1. Ограниченная предельная рабочая температура - 200-250oC. Выше нее тонкопленочный резистор утрачивает стабильность вследствие процессов рекристаллизации, внутреннего окисления, термической усталости, возникающей из-за большой разницы температурных коэффициентов линейного расширения пленки и подложки.

2. Для термостатирования необходим прибор, измеряющий температуру и выдающий сигнал в схему ее регулирования. Однако вмонтировать такой прибор - термопару или терморезистор в микронагреватель сложно, т.к. по размерам он вполне сопоставим с самим нагревателем и с объектом нагрева, поэтому вносит искажения в тепловое поле и в результате измерений.

3. Тонкопленочная конструкция нагревателя невозможна без подложки, толщина и масса которой в сотни раз больше чем собственно нагреватель. Это резко увеличивает габариты, инерционность и энергопотребление прибора в целом.

4. Неизбежно существующая металлургическая граница токоввод - резистивный слой, нагретая до рабочей температуры, является одним из основных источников нестабильности номинального сопротивления микронагревателя.

5. При низком сопротивлении требуется питание большим током, что в микронагревателе приводит к большим потерям тепла через тоководы, сечение которых должно намного превосходить сечение резистивной шины. Приходится увеличивать мощность, бесполезное рассеяние которой приводит к делокализации нагрева.

Задачей настоящего изобретения является создание термостатированного микронагревателя на фиксированную температуру в диапазоне 150-350oC, для поддержания постоянства которой при изменении внешних условий не требуется ее измерения. При этом нагреватель должен обладать минимальными габаритами и тепловой инерционностью, временной стабильностью поддержания фиксированной температуре на уровне 0,2oC.

Поставленная задача решается тем, что микронагреватель, содержащий резистор, токовводы и металлические контактные площадки, отличается тем, что токовводы выполнены из монокристаллической кремниевой фольги, микронагреватель имеет форму полоски переменного сечения, широкая часть которой является резистором, а узкая токовводами, в которых сформированы области низкоомного кремния и имеется силицидное покрытие, причем окончания токовводов выполняются в виде площадок для формирования на них металлических контактов. Более точно размеры выбираются в зависимости от условий эксплуатации, так, чтобы теплосток через токовводы был пренебрежимо мал.

Новизна заявляемого изобретения заключается в том, что впервые используется специфическая особенность монокристаллических полупроводников, а именно колоколообразный вид характеристики -Т (удельного сопротивления от температуры) (фиг. 1). Именно это свойство -Т характеристики, не присущее никаким другим резистивным материалам, позволяет термостатировать нагреватель, не прибегая к измерению его температуры, что отличает его от прототипа. Реализовать указанную выше особенность -Т характеристики полупроводникового кремния можно лишь в том случае, если конструкция микронагревателя является самонесущей, т. е. не содержит подложки, а токовводы не служат одновременно теплостоками. В противном случае неизбежна неравномерность нагрева кремния по площади, что ведет к неопределенности термостатируемой температуры.

На фиг. 1 графически представлена характеристика -Т; на фиг. 2 - конструкция микронагревателя, где: 1 - резистор; 2 - токовводы; 3 - металлические контактные площадки; 4 - пленка силицида.

В предлагаемой конструкции резистор 1 (см. фиг. 2) свободно подвешивается на двух токовводах 2, выполненных из монокристаллической кремниевой фольги, отделяющих нагреватель от металлических контактных площадок 3. Причем для уменьшения сопротивления выводов и создания омического контакта в токовводах сформированы области низкоомного кремния, которые дополнительно покрываются пленкой силицида 4.

Задача АСУ сводится к поддержанию максимального электрического сопротивления микронагревателя. Основу схемы составляет узел вычисления знака дифференциального сопротивления микронагревателя, который вырабатывает управляющий сигнал для источника питания. При положительном знаке дифференциального сопротивления вырабатывается сигнал, приводящий к уменьшению питающего напряжения, при отрицательном - к увеличению.

Экстремумы -Т кривых соответствуют переходу от примесной электропроводности к собственной и смещаются в область высоких температур по мере увеличения концентрации легирующей примеси "n": кривая 1 - Тэксстрем = 180oC при n = 11015 см-3; 2 - 250oC и 11016 см-3; 3 - 400oC и 11017 см-3. Колоколообразная форма -Т характеристики в кремнии сохраняется до 500oC (n = 11019 см-3), что является верхним пределом термостата. Нижний предел температуры нагревателя определяется только степенью чистоты исходного кремния и процесса изготовления.

Следует отметить, что термостатируемый объект может иметь и T<T в зависимости от размеров нагревателя и интенсивности передачи тепла от него к объекту нагрева.

Устройство может применяться в двух вариантах.

1. Нагреватель - термостат. Используется свойство микронагревателя точно поддерживать заданную температуру при изменении внешних условий, т.е. обеспечивать термостатирование объекта при условии, что его температура будет превышать температуру окружающей среды. Точность поддержания температуры 0,2oC, мощность от 1 мВт и выше.

2. Нагреватель - измерительный прибор. Используется зависимость мощности, необходимой для питания термостатированного нагревателя при, изменении внешних условий - состава среды, скорости обтекания, давления.

Формула изобретения

Микронагреватель, содержащий резистор, токовводы и металлические контактные площадки, отличающийся тем, что резистор и токовводы выполнены из монокристаллической кремниевой фольги, причем микронагреватель имеет форму полоски переменного сечения, широкая часть которой является резистором, а узкая - токовводами, в которых сформированы области низкоомного кремния и имеется силицидное покрытие, причем окончания токовводов выполняются в виде площадок с сформированными на них металлическими контактами.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2