Термоизмерительная система и способ изготовления информационной микросхемы для термоизмерительной системы

Термоизмерительная система и способ изготовления информационной микросхемы для термоизмерительной системы

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретения относятся к конструированию и технологии производства теплоизмерительных приборов на основе элементов микроэлектроники. Наиболее эффективно их использовать для индикации экстремальных температурных условий функционирования различных объектов, например, при взрыве, пожаре, аварийных перегревах или переохлаждениях и т.д.

Известна термоизмерительная система (ТС), содержащая каналы измерения температуры и разности температур в нескольких точках контролируемого объекта, подключаемые к усилителю-преобразователю с помощью блока ключей, управляемого контроллером. Система дополнительно содержит вычислительный блок обработки результатов измерения и блок индикации (RU 2025675, G 01 К 3/08, 1994).

Однако данная система сложна в настройке из-за необходимости разработки алгоритмов и программ функционирования вычислительного блока. Кроме того, она малочувствительна к высокодинамичным тепловым процессам, так как в ней отсутствует информация о скорости изменения температур.

Известна также ТС, содержащая два канала измерения температуры с помощью термочувствительных элементов (ТЧЭ), имеющих различные статические характеристики, и блок сравнения с функциональным преобразователем, выделяющий разность сигналов ТЧЭ. При этом в качестве ТЧЭ использованы термопары, горячие спаи которых расположены в одной изотермической зоне объекта исследований, а холодные спаи - в другой изотермической зоне объекта исследований (RU 1658710, G 01 К 3/08, 1995).

Данная ТС также сложна в настройке, а ее выходной сигнал (разность температур изотермических зон) обладает низкой информативностью, так как не учитывает динамику теплового процесса.

Наиболее близкой к заявляемой является ТС, содержащая информационную микросхему и внешнюю измерительную цепь, в которой информационная микросхема включает основание, прикрепленные к основанию малоинерционный и инерционный ТЧЭ на основе терморезисторов, смонтированные на подложке из твердого тела с возможностью измерения температуры среды и стенки контролируемого помещения соответственно, и электрические выводы для подключения ТЧЭ к внешней измерительной цепи, а внешняя измерительная цепь оснащена блоком сравнения и блоком индикации, причем малоинерционный ТЧЭ подключен к первому входу блока сравнения, а инерционный ТЧЭ - ко второму входу блока сравнения. В качестве материала подложки используется эпоксидная смола. Различие в инерционности ТЧЭ в данной системе может быть достигнуто объединением массы одного из ТЧЭ с массой прибора или стенки контролируемого помещения, различными массами используемых подложек и других элементов теплоизоляции, а также установкой малоинерционного ТЧЭ непосредственно в среде контролируемого помещения (JР 2001-299253, G 08 В 17/00; US 20030063005, G 08 В 17/00, 2003). Здесь на выходе фиксируется мгновенный сигнал разности температур среды и корпуса контролируемого аппарата или помещения согласно формуле:

где ΔТ - разностный сигнал, получаемый на выходе элемента сравнения;

Т₁ - температура среды контролируемого объекта;

Т₂ - температура стенки контролируемого объекта.

Значение ΔТ в условиях разной тепловой инерции ТЧЭ содержит информацию о скорости изменения температуры среды. В установившемся режиме ΔТ=0.

Недостатком данной системы является ее низкая информативность в целях управления (например, пожаротушением), так как системы управления по скорости изменения какого-либо физического фактора неработоспособны из-за их неустойчивости, что общеизвестно.

Технической задачей предлагаемого устройства является повышение информативности и обеспечение возможности его использования для управления контролируемым процессом.

Решение указанной задачи заключается в том, что в ТС, содержащую информационную микросхему и внешнюю измерительную цепь, в которой информационная микросхема включает основание, прикрепленные к основанию малоинерционный и инерционный ТЧЭ на основе терморезисторов, смонтированных на подложке из твердого тела с возможностью измерения температуры среды и стенки контролируемого помещения соответственно, и электрические выводы для подключения ТЧЭ к внешней измерительной цепи, а внешняя измерительная цепь оснащена блоком сравнения и блоком индикации, причем малоинерционный ТЧЭ подключен к первому входу блока сравнения, а инерционный ТЧЭ подключен ко второму входу блока сравнения, вносятся следующие изменения:

1) в качестве подложки терморезисторов использован полупроводниковый материал;

2) во внешней измерительной цепи дополнительно установлены сумматор и первый и второй усилители-преобразователи;

3) малоинерционный ТЧЭ подключен к первому входу блока сравнения и к первому входу сумматора через первый усилитель-преобразователь;

4) инерционный ТЧЭ подключен ко второму входу блока сравнения через второй усилитель-преобразователь;

5) выход блока сравнения подключен ко второму входу сумматора;

6) выход сумматора связан с входом блока индикации непосредственно или через коммутатор.

В такой системе разностный сигнал, получаемый на выходе элемента сравнения, который, как и в прототипе, содержит информацию о скорости изменения температуры среды контролируемого объекта, суммируется с информационным сигналом температуры среды. Таким образом, на блок индикации поступает информация, описываемая формулой:

где Х_вых - сигнал на выходе ТС;

k - коэффициент пропорциональности.

Из анализа формулы (2) видно, что на выходе предлагаемой ТС содержится упреждающая информация о температуре среды, скорректированная по скорости ее изменения. Очевидно, что при использовании этой информации в целях управления может быть реализован пропорционально-дифференциальный (ПД) алгоритм формирования управляющего воздействия, в чем и состоит причинно-следственная связь внесенных изменений с достигнутым техническим результатом. В этом случае значение коэффициента k, определяющего долю управляющего воздействия по производной, устанавливают в пределах от 0,1 до 0,3, как это принято в системах автоматического регулирования ПД-действия. При использовании выходного сигнала только в информационных целях значение коэффициента k может быть установлено выше указанного верхнего предела.

Выполнение подложки из полупроводникового материала обеспечивает не только возможность изготовления ТЧЭ и всей микросхемы методами микротехнологии, что важно как в отношении технологичности и миниатюризации конструкции, так и, особенно, в отношении уменьшения постоянной времени малоинерционной термопары, поскольку чем меньше данная постоянная времени, тем ближе значение разностного сигнала ΔТ к мгновенному значению производной. Кроме того, экспериментально установлено, что значения температур, измеряемых ТЧЭ новой микросхемы, в отличие от прототипа различаются даже в установившемся режиме. Это позволяет судить о значениях температур среды и стенки контролируемого объекта не только в динамическом, но и в статическом режимах. Данное свойство информационной микросхемы обеспечивается, по-видимому, не только заменой материала подложки, но и выполнением малоинерционного ТЧЭ на микроуровне (поскольку масса определяет его тепловую инерцию).

Для повышения информативности ТС ее блок индикации может быть выполнен трехканальным. В этом случае помимо информационного канала, описываемого формулой (2), на блок индикации может быть выведена дополнительная информация о значениях температур Т₁ и Т₂. В данном варианте блок индикации выполнен трехканальным, при этом выход сумматора связан с первым входом блока индикации, выход первого усилителя-преобразователя дополнительно подключен ко второму входу блока индикации, а выход второго усилителя-преобразователя дополнительно подключен к третьему входу блока индикации.

Альтернативой является вариант с подключением одноканального блока индикации через коммутатор, установленный с возможностью переключения информационных каналов. Для автоматизации процесса переключения измерительных каналов внешняя измерительная цепь дополнительно содержит таймер, выход которого подключен к управляющему входу коммутатора.

Поскольку технические характеристики устройства определяются технологией изготовления информационной микросхемы, данная технология заявляется независимым пунктом формулы.

Прототипом способа является патент US 20030063005, G 08 В 17/00, 2003 в связи с близостью конструкций получаемых целевых изделий. Как видно из описания прототипа, информационную схему для ТС в известном способе изготавливают формированием малоинерционного и инерционного ТЧЭ на подложке, выполненной из твердого тела, а именно эпоксидной смолы, и присоединяют их к электрическим выводам для подключения ТЧЭ к внешней измерительной цепи. Такой способ нетехнологичен (он не является микротехнологией, что видно из используемого материала подложки) и не обеспечивает миниатюризацию целевого изделия на уровне микроэлектронной схемы, что имеет следствием низкую инерционность измерений и нечувствительность к разности температур среды и стенки контролируемого объекта в статическом режиме.

Технической задачей предлагаемого способа является миниатюризация и повышение чувствительности целевого изделия.

Решение данной технической задачи заключается в том, что в способ изготовления информационной микросхемы для ТС, предусматривающий формирование терморезисторов малоинерционного и инерционного ТЧЭ на подложке, выполненной из твердого тела, прикрепление ТЧЭ к основанию микросхемы и присоединение ТЧЭ к электрическим выводам для подключения к внешней измерительной цепи, вносятся следующие изменения и дополнения:

1) терморезисторы формируют нанесением терморезистивного слоя на подложку из полупроводникового материала с последующим микропрофилированием этого слоя;

2) выполняют металлизированные контактные площадки и их подключения к соответствующим ТЧЭ;

3) участок подложки по месту расположения терморезистора малоинерционного термочувствительного элемента удаляют или вытравливают в нем глухое отверстие;

4) контактные площадки присоединяют к электрическим выводам, вмонтированным в основание информационной микросхемы.

На фиг.1 и 2 приведены функциональные схемы вариантов ТС;

на фиг.3-5 представлены схемы конструкций основных узлов вариантов информационных микросхем ТС.

В табл.1 и 2 приведены технические характеристики вариантов ТС.

ТС (фиг.1) содержит информационную микросхему и внешнюю измерительную цепь, в которой информационная микросхема включает малоинерционный ТЧЭ 1 и инерционный ТЧЭ 2 с чувствительными элементами на основе терморезисторов, смонтированных на подложке из полупроводникового материала с возможностью измерения температуры среды и стенки контролируемого помещения соответственно, электрически подключенные к внешней измерительной цепи, оснащенной первым и вторым усилителями-преобразователями (поз. 3 и 4), блоком 5 сравнения, сумматором 6 и блоком 7 индикации. При этом малоинерционный ТЧЭ 1 подключен через усилитель-преобразователь 3 к первому входу блока 5 сравнения и первому входу сумматора 6, инерционный ТЧЭ 2 подключен через усилитель-преобразователь 4 ко второму входу блока 5 сравнения, выход блока 5 сравнения подключен ко второму входу сумматора 6, а выход сумматора 6 непосредственно связан с блоком индикации 7. При использовании многоканального блока индикации 7 к его информационным входам дополнительно подключены выходы усилителей-преобразователей 3 и 4 (указаны пунктиром).

Блок сравнения 5 выделяет разностный сигнал ΔТ согласно формуле (1) с учетом значения заданного коэффициента пропорциональности k. Сумматор 6 добавляет k·ΔТ к значению температуры Т₁ среды исследуемого объекта. Таким образом, сигнал на выходе сумматора 6 в динамическом режиме скорректирован по скорости изменения температуры среды. Экспериментально установлено, что даже в стационарном состоянии значения температур Т₁ и Т₂, фиксируемые блоком индикации 7, могут различаться. Это происходит потому, что в предлагаемой конструкции информационной микросхемы малоинерционный ТЧЭ 1 фактически фиксирует некоторую среднюю температуру между температурой среды и температурой корпуса исследуемого объекта. Экспериментальные данные, подтверждающие это обстоятельство, приведены в табл.1 и 2.

При использовании одноканального блока индикации 7 (фиг.2) этот блок подключен к выходу сумматора 6 и усилителей-преобразователей 3 и 4 через коммутатор 8. Для автоматического переключения информационных каналов используется таймер 9, который подключен к управляющему входу коммутатора 8.

Варианты конструкции информационной микросхемы описываются далее в примерах, иллюстрирующих их изготовление.

ПРИМЕР 1. Для изготовления информационной микросхемы ТС формируют малоинерционный и инерционный ТЧЭ 1 и 2 на основе дискретных терморезисторов на подложке 10 (фиг.3), выполненной из германия. С этой целью на подложку 10 наносят диэлектрический подслой 11 из АlN толщиной 1,0 мкм высокочастотным распылением Аl с помощью магнетрона в смеси газов аргона и азота при температуре подложки 400°С. Далее на подслой 11 наносят терморезистивный слой поликристаллического Si толщиной 0,5 мкм (на фигурах не указан, чтобы не загромождать чертеж) распылением мишени поликристаллического Si с помощью магнетрона в среде аргона при температуре подложки 450°С, в котором формируют поликристаллические Si-терморезисторы 12 и 13 для ТЧЭ 1 и 2 соответственно микропрофилированием с помощью химического травления. Далее формируют металлизированные контактные площадки 14 и электрические соединения их с терморезисторами 12 и 13 магнетронным нанесением Аl с последующей фотолитографией.

Подложку 10 с нанесенными элементами разрезают в плоскости А-А для разъединения ТЧЭ 1 от ТЧЭ 2.

Далее осуществляют сборку узла информационной микросхемы (фиг.4) на коваровом основании 15, в котором с помощью стеклянных изоляторов 16 вмонтированы электрические выводы 17, 18 и 19 для подключения информационной микросхемы к внешней измерительной цепи. ТЧЭ 1 подвешивают между электрическими выводами 17 и 18 на высоте 2 мм от основания 15 (для обеспечения его низкой тепловой инерционности) на проволоках 20 из Аu с одновременным электрическим соединением этих выводов с соответствующими контактными площадками 14 ТЧЭ 1. ТЧЭ 2 приклеивают к основанию 15 между электрическими выводами 18 и 19 и аналогично электрически соединяют с данными выводами. Элементы, установленные на основании 15, закрывают защитной крышкой 21, снабженной металлической сеткой 22 для тепломассообмена с окружающей средой. В данной конструкции элементы 15-19, 21 использованы от корпуса микросхем серии ТО-5 (США).

Микросхему подключают к внешней измерительной цепи, выполненной согласно фиг.1 при значении коэффициента к (см. формулу 2), равном 1,0, и испытывают на модели аппаратуры, работающей в обычных и экстремальных температурных условиях среды при регулировании температуры среды с относительной приведенной погрешностью 1-3%. Испытания проводят при начальных значениях температуры среды от 20 до 250°С. Динамический режим создают увеличением задания терморегулятору на 30°С. Фиксируют значения температур Т₁ и Т₂, измеряемых малоинерционным и инерционным ТЧЭ 1 и 2, а также максимальное значение сигнала Х_вых, снимаемого с блока 7 индикации.

Результаты испытаний приведены в табл.1. Как видно из таблицы, в установившемся режиме значение температуры Т₂ меньше, чем Т₁ на 1-4°С, что свидетельствует о наличии разности температур среды и корпуса в статике, в связи с чем целесообразно в соответствующих ситуациях принятие решений с учетом значений указанных температур. Из таблицы видно также, что в динамическом режиме максимальное значение Х_вых существенно (на 9-16°С) выше температуры, установившейся по окончании переходного процесса, вызванного скачкообразным (на 30°С) повышением заданного значения регулятору температуры. Поэтому в динамическом режиме снимается упреждающий выходной сигнал Х_вых, который может быть использован для своевременного подавления аварийного состояния объекта.

ПРИМЕР 2. Для изготовления информационной микросхемы (фиг.5) ТС формируют малоинерционный и инерционный ТЧЭ 1 и 2 на основе интегральных терморезисторов на подложке 10, выполненной из кремния. С этой целью на подложке 10 формируют диэлектрический подслой 11 из SiO₂ толщиной 0,5 мкм термическим окислением при 1000°С. Далее на подслой 11 наносят терморезистивный слой SiC толщиной 0,8 мкм (на фиг.5 не указан) распылением мишени поликристаллического SiC с помощью магнетрона в среде аргона при температуре подложки 850°С, в котором формируют SiC-терморезисторы 12 и 13 для ТЧЭ 1 и 2 соответственно микропрофилированием с помощью плазмохимического травления. Далее формируют металлизированные контактные площадки 14 и электрические соединения их с терморезисторами 12 и 13 магнетронным нанесением Ni с последующей фотолитографией.

Затем на свободной стороне подложки 10 по месту расположения терморезистора 12 вытравливают глухое отверстие 23 для уменьшения инерционности ТЧЭ 1 и приклеивают этой стороной к основанию 15.

Далее информационную микросхему подключают к внешней измерительной цепи, выполненной согласно фиг.2 при значении коэффициента k (см. формулу 2), равном 1,0. Микросхему испытывают как в примере 1.

Результаты испытаний приведены в табл.2. Как видно из таблицы, в установившемся режиме значение температуры Т₂ меньше, чем Т₁ на 1-3°С, что свидетельствует о наличии в данном варианте конструкции разности температур среды и корпуса в статике. В динамическом режиме максимальное значение Х_вых на 5-9°С выше температуры, установившейся по окончании переходного процесса, вызванного скачкообразным повышением заданного значения регулятору температуры. Здесь также имеется упреждающий выходной сигнал Х_вых, который может быть использован для своевременного подавления аварийного состояния объекта.

Как пояснено приведенными примерами, использование предлагаемых технических решений повышает информативность ТС за счет возможности измерения температур среды и стенки помещения (аппарата) в статике и выраженного упреждающего сигнала, учитывающего скорость изменения температурных условий, в динамике, что свидетельствует также о повышении чувствительности ТС. Положительный результат, производный от достигнутого, заключается в возможности использования выходного сигнала, скорректированного по скорости изменения температурных условий, для формирования дифференциальной составляющей соответствующей системы автоматического управления контролируемым процессом. Достигнута также возможность миниатюризации узла информационной микросхемы за счет изготовления ее с использованием описанной микротехнологии.

Таблица 1Результаты испытания ТС с информационной микросхемой к примеру 1
Начальные значения температур, °С	Установившееся значение температуры среды по окончании переходного процесса, °С	Максимальное значение Хвых в переходном процессе, °С
регулируемое в среде	T1	T2
20	20±1	19±1	50	66
35	35±1	33,5±1	65	74
50	50±0,5	49±0,5	80	92
100	97±1	95±1	130	140
150	147±2	144±2	180	190
250	246±2	242±2	280	292
Таблица 2Результаты испытания ТС с информационной микросхемой к примеру 2
Начальные значения температур, °С	Установившееся значение температуры среды по окончании переходного процесса, °С	Максимальное значение Хвых в переходном процессе, °С
регулируемое в среде	T1	T2
20	20±1	19±1	50	56
35	35±1	34±1	65	70
50	50±1	49±1	80	88
100	97±2	95±2	130	139
150	147±2	145±2	180	188
250	246±3	243±2	280	286

1. Термоизмерительная система, содержащая информационную микросхему и внешнюю измерительную цепь, в которой информационная микросхема включает основание, прикрепленные к основанию малоинерционный и инерционный термочувствительные элементы на основе терморезисторов, смонтированных на подложке из твердого тела с возможностью измерения температуры среды и стенки контролируемого помещения соответственно, и электрические выводы для подключения термочувствительных элементов к внешней измерительной цепи, а внешняя измерительная цепь оснащена блоком сравнения и блоком индикации, причем малоинерционный термочувствительный элемент связан с первым входом блока сравнения, а инерционный термочувствительный элемент связан со вторым входом блока сравнения, отличающаяся тем, что в качестве подложки терморезисторов использован полупроводниковый материал, во внешней измерительной цепи дополнительно установлены сумматор и первый и второй усилители-преобразователи, малоинерционный термочувствительный элемент подключен к первому входу блока сравнения и к первому входу сумматора через первый усилитель-преобразователь, инерционный термочувствительный элемент подключен ко второму входу блока сравнения через второй усилитель-преобразователь, выход блока сравнения подключен ко второму входу сумматора, выход сумматора связан с входом блока индикации непосредственно или через коммутатор.

2. Термоизмерительная система по п.1, отличающаяся тем, что блок индикации выполнен трехканальным, при этом выход сумматора связан с первым входом блока индикации, выход первого усилителя-преобразователя дополнительно подключен ко второму входу блока индикации, а выход второго усилителя-преобразователя дополнительно подключен к третьему входу блока индикации.

3. Способ изготовления информационной микросхемы для термоизмерительной системы, предусматривающий формирование терморезисторов малоинерционного и инерционного термочувствительных элементов на подложке, выполненной из твердого тела, прикрепление термочувствительных элементов к основанию микросхемы и присоединение термочувствительных элементов к электрическим выводам для подключения к внешней измерительной цепи, отличающийся тем, что терморезисторы формируют нанесением терморезистивного слоя на подложку из полупроводникового материала с последующим микропрофилированием этого слоя, выполнением металлизированных контактных площадок и их подключений к соответствующим термочувствительным элементам, при этом участок подложки по месту расположения терморезистора малоинерционного термочувствительного элемента удаляют или вытравливают в нем глухое отверстие, далее термочувствительные элементы прикрепляют к основанию и присоединяют контактные площадки к электрическим выводам, вмонтированным в основание микросхемы.