Термоанемометрический датчик массового расхода жидкостей и газов

Термоанемометрический датчик массового расхода жидкостей и газов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области микроэлектронных и микромеханических устройств и может быть использовано в качестве датчиков расхода газов и жидкостей в автомобильной, аэрокосмической, нефтегазовой и других областях.

Известен пленочный датчик массового расхода газа, состоящий из круглого полого стеклянного стержня, на котором нанесены пленки платины в виде двух полосок: одна служит в качестве газочувствительного элемента, другая - для температурной компенсации [1]. Недостатком данного устройства является высокое энергопотребление, большая тепловая инерционность, несовместимость технологии датчика с микро-электронной технологией, что не позволяет интегрировать датчик со схемами обрамления (вторичным источником питания, микропроцессором и т.д.)

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству служит датчик массового расхода воздуха фирмы "Бош" [2] инжекторных автомобилей. Датчик выполнен в виде кристалла, содержащего кремниевую рамку-основание, на которой расположена диэлектрическая мембрана, состоящая из чередующихся слоев двуокиси и нитрида кремния. На мембране расположен нагревательный резистор и платиновый термочувствительный резистор, выполняющий роль чувствительного элемента датчика, реагирующий на величину расхода. Другой платиновый резистор расположен на рамке-основании и выполняет функцию температурной компенсации. Критерием величины расхода служит количество теплоты, перенесенной от нагревательного резистора к чувствительному элементу и изменившей его температуру, т.е. величину его сопротивления на соответствующую величину. Вследствие малой теплоемкости газов резисторы расположены на минимально возможном расстоянии порядка 5 мкм друг от друга, чтобы получить достаточный электрический отклик, соответствующий минимальной величине расхода газа. В случае увеличения расстояния до 50-100 мкм на порядки величины возрастает мощность нагревательного резистора.

Данная конструкция может быть интегрирована со схемами обрамления, но существенным недостатком данной конструкции является или большое энергопотребление, что в свою очередь требует мощного полупроводникового устройства управления нагревательным резистором, сложного устройства считывания информации из-за малости сигнала датчика, что затрудняет интеграцию датчика со схемами обрамления или при малом расстоянии между резисторами повышается требование к подготовке газа, т.е. к качеству фильтров. Кроме того, в однокристальной схеме существует противоречие из-за требования высокой температуры нагревательного резистора и резистора термокомпенсации и нормальной температуры для схем обрамления, что трудно осуществить из-за достаточно хорошей теплопроводности элементов кристалла.

Технической задачей, которую должно решить данное изобретение, является создание устройства, позволяющего интегрировать датчик с электронными устройствами обрамления в рамках стандартной микроэлектронной и микромеханической технологии, для чего требуется как минимум на порядок снизить энергопотребление датчика.

В предположенном изобретении задача решается благодаря тому, что в кристалле мембрана выполняется из чередующихся слоев двуокиси и нитрида кремния, толщины которых соотносятся как 3(3,5):1, а общая толщина мембраны не превышает 1-2 мкм. Выбранные толщины и соотношения слоев мембраны обеспечивают малые потоки тепла через мембрану на рамку-основание, так как теплопроводность двуокиси кремния на порядок ниже нитрида кремния [3] при оптимальной температурной стойкости, механической прочности и жесткости конструкции как мембраны, так и кристалла в целом.

Нагревательный резистор расположен под чувствительным элементом и изолирован от него идеальными теплопроводящими слоями Al₂O₃ или алмазоподобной пленки, позволяющими осуществить хорошую энергосберегающую связь между резисторами. На мембране выполнен дополнительный платиновый резистор температурной коррекции, который реагирует на изменение температуры жидкости или газа, а не на изменение температуры корпуса кристаллодержателя, как в прототипе. Энергопотребление такого резистора существенно ниже в сравнении с резисторами на рамке-основании, а быстродействии его выше, что чрезвычайно важно применительно к условиям измерения в пограничных слоях для устранения влияния на измеряемую температуру газа температуры конструкции. В медицинской практике, где во время операции температура больного может падать очень быстро, это обстоятельство жизненно важно. Для уменьшения тепловой связи между элементами на мембране, с одной стороны, и элементами на мембране и рамкой-основанием, с другой стороны, на мембране выполнены сквозные щели на всю ее длину шириной более 1мкм. При этом механизм передачи тепла за счет теплопроводности твердого тела заменяется механизмом излучения и конвекции через торцы щелей. При рабочих температурах 100-200°С и давлениях 460-800 мм рт.ст. конвекционные и излучательные составляющие переноса тепла существенно ниже теплопроводности через мембрану.

На фиг.1 приведен разрез варианта устройства со сплошной мембраной, а на фиг.2 - с разделяющими щелями. Кристалл датчика содержит кремниевую рамку-основание (1), на которой расположена диэлектрическая мембрана (2), из четырех чередующихся слоев SiO₂ и Si₃N₄. Толщина слоев SiO₂ - 0,5 мкм, Si₃N₄ - 0,15 мкм. На поверхности мембраны на слое SiO₂ выполнен нагревательный резистор (3) из поликремния или тугоплавкого металла, поверхность которого защищена слоем диэлектрика Al₂O₃ или алмазоподобной пленкой (4). Над нагревательным резистором (3) на слое диэлектрика (4) расположен чувствительный платиновый резистор (5). Сбоку относительно резистора (5) выполнен боковой платиновый резистор (6) и платиновый резистор (7) на рамке-основании (1). И в варианте устройства на фиг.2 выполнены щели (8) на всю длину мембраны.

Для изготовления датчика используются стандартные кремниевые пластины КЭФ 4,5 (100) диаметром 100 мм и стандартные технологические операции: двухсторонняя контактная фотолитография, анизотропное глубокое травление кремния, термическое окисление кремния, пиролиз, низкотемпературные процессы нанесения слоев SiO₂ и Si₃N₄, магнетронное напыление металлов, плазмохимические процессы и реактивное ионное травление, жидкостные химические процессы травления и очистки поверхностей, процессы отжига в инертной среде.

Датчик работает на термоанемометрическом принципе [4]. Платиновый резистор (5) является чувствительным элементом. Его тепловой режим обеспечивает нагревательный резистор. Дополнительный платиновый резистор (6) имеет малую тепловую постоянную времени и корректирует систему измерений при быстрых изменениях температуры потока. Платиновый резистор (7) корректирует систему по изменению внешних условий, так как располагается на массивной части измерительного устройства, не показанного здесь.

Блок-схема электронного блока термоанемометрического датчика массового расхода воздуха представлена на фиг.3. Прототипом устройства является датчик массового расхода воздуха фирмы "Бош" НЕМ-5. В состав электронного блока входят: резистивный электрический мост (9), содержащий чувствительный элемент (5) кристалла (1) - измеритель расхода воздуха; резистивный электрический мост (10), содержащий резистор температурной коррекции значения величины расхода, обусловленной изменением температуры газа, содержащий элемент (6) кристалла (1); резистивный электрический мост (11), содержащий резистор температурной компенсации стационарного режима значения величины расхода, обусловленный изменением температуры массивной части измерительного устройства, содержащий элемент (7) кристалла (1). Блоки 12, 13, 14 - усилители сигналов с соответствующих измерительных мостов. Блок 15 - микропроцессор, осуществляющий по программе аналого-цифровое преобразование сигналов с усилителей 12, 13, 14, математическую обработку значений сигналов по заданному алгоритму, выдачу значений оцифрованной информации с мостов через стандартный канал передачи данных (RS-232) на ЭВМ (IBM PC), что позволяет записать/сохранить и обработать аналого-временные характеристики устройства при его отладке и калибровке. Блок 16 - вторичный источник питания всех блоков и мостов устройства. Блок 17 - формирователь выходного сигнала, передаваемого на исполнительный механизм или дисплей устройства.

Новая конструкция датчика обеспечивает более высокое быстродействие, как минимум на порядок меньшее энергопотребление, а стандартные методы изготовления позволяют легко интегрировать датчик со схемами обрамления.

Литература.

1. Корякова О.Н., Кузьмин В.А. Термоанемометры постоянной температуры: "Измерители расхода жидкости, газа, пара", М., 1973 г., с.56-59.

2. Патент Германии DEN 4219454.

3. Петерсон К.Э. Кремний как механический материал, ТИИЭР, т.70, №5, 1982, стр.5-49.

4. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. Справочник, изд.4. - Л., Машиностроение, 1989 г.

1. Термоанемометрический датчик расхода, выполненный в виде кристалла, содержащего кремниевую рамку-основание, мембрану на рамке-основании, выполненную из чередующихся слоев двуокиси и нитрида кремния, нагревательный резистор и два платиновых термочувствительных резистора, один из которых является чувствительным элементом датчика, а другой выполняет функцию температурной компенсации стационарного режима, при этом нагревательный резистор и резистор чувствительного элемента размещены на мембране, а резистор температурной компенсации - на рамке-основании, отличающийся тем, что толщины чередующихся слоев двуокиси и нитрида кремния мембраны соотносятся как (3-3,5):1, а общая толщина ее не превышает 2 мкм, нагревательный резистор выполнен под чувствительным элементом, изолирован от него слоем Al₂О₃ или алмазоподобной пленки, а на мембране выполнен дополнительный платиновый резистор температурной коррекции.

2. Термоанемометрический датчик по п.1, отличающийся тем, что на мембране выполнены сквозные щели шириной более 1 мкм на всю длину мембраны и разделяющие чувствительный элемент, дополнительный резистор температурной коррекции и рамку-основание воздушным промежутком.