Датчик теплового излучения

Предлагаемая полезная модель относится к области микроэлектроники и оптоэлектроники. Датчик теплового излучения содержащий термопары Al-Si или линейки термопар, которые соединены последовательно, их горячие концы расположены на пористом кремнии, а холодные - на монолитной кремниевой подложке. Предложенный датчик теплового излучения имеет высокую механическую прочность, существенно большую полезную площадь для размещения большого количества термопар или линеек термопар, увеличенный полезный сигнал и более широкую область применения.

Предлагаемая полезная модель относится к области микроэлектроники и оптоэлектроники, в частности к конструкции датчика теплового потока, и может быть использована для измерения как температуры так и величины теплового потока, а также распределения этих параметров по малым площадям и объемам.

Известен датчик теплового излучения, использующий в качестве несущей основы профилированные мембраны из монолитного кремния (Ж.Аш и др. «Датчики измерительных система, М. «Мир», с.209-211, 1992). Однако указанный датчик теплового излучения обладает тем недостатком, что существует необходимость стравливания почти 450 мкм подложки с целью получения мембраны минимальной толщины для уменьшения латеральной теплопроводности, снижающей чувствительность датчика. При этом толщина мембраны не может быть сделана менее 30-40 мкм из-за неоднородности травления и недостаточной механической прочности.

Это не позволяет реализовать на мембране большое количество (линейку) термопарных датчиков из-за ограниченной площади мембраны.

Кроме того, известен датчик теплового излучения, (Патент РФ на изобретение 2242728 МПК7 GOIK 7/02 Датчик теплового потока / А.А.Величко, В.А.Илюшин, Н.И.Филимонова, Заявлено 08.01.2003, Опубликовано 20.12.2004, бюллетень 35) являющийся прототипом предлагаемой полезной модели и содержащий термопары А1-Si, выполненную на основе слоя кремния, выращенного на диэлектрическом монокристаллическом слое СаF ₂, которые являются воздушной мембраной. В этом случае снижается теплопроводность за счет использования диэлектрического слоя и повышается однородность кремниевой пленки за счет использования фторида кальция в качестве «стоп-слоя» при травлении.

Прототип содержит следующие недостатки: низкая механическая прочность, так как слой кремния на слое CaF₂ является воздушной мембраной. Это не позволяет использовать мембраны большой площади для изготовления большого количества последовательно соединенных термопар, или линейки термопар, что снижает величину полезного сигнала и, как следствие, ограничивает область применения датчика.

Задачей предлагаемой полезной модели является увеличение механической прочности конструкции при одновременном увеличении полезной площади для размещения большого количества термопар или линеек термопар, что позволит увеличить полезный сигнал и расширить область применения.

Поставленная задача достигается тем, что термопары Аl-Si располагаются на поверхности слоя Si выращенного на областях кремниевой подложки, переведенных в состояние пористого кремния. Полученные слои кремния не являются воздушной мембраной и появляется возможность формирования большого количества термопар или линеек термопар, горячие спаи которых расположены над пористым кремнием, а холодные над монолитной подложкой.

На фиг.1 приведено поперечное сечение конструкции предлагаемого датчика теплового излучения, а на фиг.2 - топология одного звена этого датчика.

Предлагаемый датчик теплового излучения содержит расположенные последовательно друг на друге, подложку из монокристаллического кремния КДБ-0.006 (1), слой пористого кремния (2), слой SiO₂ толщиной 200 нм (3), слой Si₃N₄ толщиной 150 нм (4), слой эпитаксиального кремния n-типа толщиной 600 нм (5), слой SiO₂ толщиной 100 нм (6), слой из А1 с добавкой 4% кремния толщиной 1 мкм (7), область горячего спая термопары (8).

Датчик теплового излучения(Фиг.1 и Фиг.2) работает следующим образом. Области 1 и 2 являются несущими элементами конструкции с различным уровнем теплопроводности, области 3, 4 и 6 являются вспомогательными слоями, оставшимися после изготовления. Основными функциональными областями конструкции термопар являются слой кремния (5) и слой алюминия (7).

Тепловое излучение попадает на область горячего спая термопары Аl-Si (область 8 на фиг.2) находящуюся над слоем пористого кремния (2), который обладает низкой теплопроводностью. Холодные концы термопары Al-Si (область 7 на фиг.2) находятся на поверхности монолитного кремния (1) с высокой теплопроводностью, который имеет хороший тепловой контакт с термостабилизированным корпусом датчика.

В результате за счет низкой теплопроводности пористого кремния между холодным и горячими спаями термопары возникает максимально возможная разность температур, которая создает термоЭДС Е в соответствии с эффектом Зеебека:

E=·T,

где:

Е - величина термоЭДС (В)

T - разность температур (К)

- коэффициент термоЭДС (В/К)

Последовательное соединение нескольких (n) термопар Al-Si позволяет увеличить ЭДС сигнала в (n) раз.

Таким образом, сравнение предлагаемого датчика теплового излучения с прототипом показывает, что расположение термопар не на висящей в воздухе мембране, а на слое пористого кремния существенно увеличивает механическую прочность конструкции. Это дает возможность создавать многоэлементные термопары и линейки термопар, что увеличивает полезный сигнал и расширяет область применения предлагаемого датчика.

Датчик теплового излучения, содержащий термопары Al-Si или линейки термопар, отличающийся тем, что термопары соединены последовательно, их горячие концы расположены на пористом кремнии, а холодные - над монолитной кремниевой подложкой.