Чувствительный элемент датчика с нагревателем

Полезная модель относится к области микросенсоров, а именно к микроэлектромеханическим системам (МЭМС) для измерения преимущественно потоков жидкостей и газов - МЭМС-термоанемометрам и калориметров. Целью предлагаемой полезной модели является увеличение чувствительности, точности и пределов измерений термоанемометра. Указанная цель достигается тем, что в чувствительном элементе датчика с нагревателем, состоящем из кремниевого кристалла с мембраной, на которой сформированы нагреватели и термочувствительные элементы, а также элементы снижающие потери тепла от нагревателя, элементы, снижающие потери тепла выполнены в виде канавок вокруг мембраны, причем глубина канавки h выбирается из соотношения 0.9d<n<d где d - толщина мембраны.

Полезная модель относится к области микросенсоров, а именно к микроэлектромеханическим системам (МЭМС) для измерения преимущественно потоков жидкостей и газов - МЭМС-термоанемометрам и калориметров.

Известны чувствительные элементы датчиков (термоанемометры), содержащие помещенный в поток нагреваемый элемент и средство для регистрации его температуры: о величине потока судят по теплоотводу от этого элемента (по установившейся температуре при постоянном теплоподводе или по величине теплоподвода, необходимого для поддержания постоянной температуры). [патенты US 4244217 Int. C1. G01f 1/00, US 4501144 Int. C1. G01f 1/68, US 4478076 Int. C1. G01f 1/68, US 4283944 Int. С1. G01f 1/68, US 4624138 C1. G01f 1/68, US 4680963 G01f 1/68, US 5237867 G01f 1/68]

Существенным недостатком таких конструкций является потери тепла через подложку за счет теплопередачи, излучения и конвекции. Этот недостаток можно устранить, используя материалы с малой теплопроводностью (поликор, сапфир, ситалл). Но толщина подложки в таких случаях получается весьма существенной и в этом случае так же присутствуют потери тепла за счет теплопроводности. Возможно уменьшить толщину подложки, но тогда возникнут другие проблемы, ведь данный материал сложно поддается обработке.

Известны чувствительные элементы датчиков с нагревательным элементом и датчиком температуры (термодатчик) которые сформированы на открытой измеряемому потоку поверхности тонкой мембраны [заявка US 20070011867 H01B 13/00, патенты US 5108193 G01f 1/68, US 6631638 B01f 1/68], теплоперенос по объему которой мал из-за малости площади ее поперечного сечения. Для измерения температуры окружающей среды служит один из термодатчиков на мембране или вне ее.

Недостатком данного изобретения является наличие с обратной стороны мембраны (где нет нагревателя и термодатчика) среды с высокой теплопроводностью (порядка или больше теплопроводности мембраны), что приводит к проявлению тех же недостатков, что и у аналогов. А так же существенным недостатком является малая прочность мембраны и при резком изменении давления среды, мембрана может разрушиться.

Наиболее близким аналогом предлагаемой полезной модели является чувствительный элемент датчика с нагревателем, состоящий из кремниевого кристалла с мембраной, на которой сформированы нагреватели и термочувствительные элементы, а так же элементы, снижающие потери тепла от нагревателя [патент RU 2451295 C1 Int. C1. G01p 5/12]. Элемент, снижающий потери тепла от нагревателя выполнен путем герметизации полости под мембраной и заполнения ее материалом, коэффициент теплопроводности которого составляет менее 0,1 от коэффициента теплопроводности материала мембраны. Мембрана может выполняться достаточно толстой, что увеличит ее прочность.

Однако, недостатком прототипа является наличие потерь тепла через торцы мембраны (вокруг нагревателя и термодатчика), что приводит к проявлению тех же недостатков, что и у аналогов, хотя и в меньшей степени.

Целью предлагаемой полезной модели является увеличение чувствительности, точности и пределов измерений термоанемометра.

Указанная цель достигается тем, что в чувствительном элементе датчика с нагревателем, состоящем из кремниевого кристалла с мембраной, на которой сформированы нагреватели и термочувствительные элементы, а также элементы снижающие потери тепла от нагревателя, элементы, снижающие потери тепла выполнены в виде канавок вокруг мембраны, причем глубина канавки h выбирается из соотношения 0.9dhd где d - толщина мембраны.

Формирование канавок существенно уменьшает потери тепла из-за теплопроводности от мембраны к подложке чувствительного элемента. При уменьшении глубины канавок меньше 0,9d, потери тепла увеличиваются. Если глубина канавок будет больше чем толщина мембраны, то потери тепла не изменяются, и эффективность глубокой канавки не улучшается.

Предложение поясняется на следующих фигурах:

На Фиг. 1 схематично (без изолирующих слоев, без проводящих дорожек и т.д.) изображен вариант предлагаемого термоанемометра, изготовленный на кремниевой подложке.

На Фиг. 2 - его вид сверху.

На Фиг. 3 схематично (без изолирующих слоев, без проводящих дорожек и т.д.) изображен вариант предлагаемого термоанемометра, изготовленный на кремневой структуре с диэлектрической изоляцией.

Позициями на фиг. 1-3 обозначаются:

1 - подложка,

2 - мембрана,

3 - нагреватель,

4 - термодатчик,

5 - полость под мембраной,

6 - канавки, вытравленные в индуктивно связанной плазме,

7 - внешние контакты.

8 - слой диэлектрика

9 - слой кремния

Примером конкретного исполнения может служить термоанемометр (см. Фиг 1, 2), выполненный на подложке 1 из кремния КЭФ 4,5 Ом·см с ориентацией (100) толщиной 460 мкм. Мембрана 2 выполнена из кремния толщиной 20 мкм. Нагреватель 3 выполнен в виде пленки из 14 толщиной 0,3 мкм, термодатчик 4 выполнен в виде такой же пленки.

Канавки 6 вокруг мембраны вытравлены в индуктивно связанной плазме. Ширина канавки 3 мкм, глубина канавки 18 мкм. Полость под мембраной 5 для уменьшения потерь тепла можно заизолировать как в прототипе.

Так же, для лучшего результата, вместо монолитной подложки с мембраной можно использовать подложку со структурой кремний на изоляторе (См. Фиг. 3).

Данная структура позволяет добиться существенного повышения быстродействия микроэлектронных схем при одновременном снижении потребляемой мощности и габаритных размеров. Подложка, выполненная по технологии кремний на изоляторе, представляет собой трехслойный пакет, который состоит из монолитной кремниевой пластины, диэлектрика и размещенного на нем тонкого поверхностного слоя кремния толщиной 20 мкм. В качестве диэлектрика может выступать диоксид кремния SiO₂ толщиной 5 мкм. Дальнейшая обработка подложки со структурой кремний на изоляторе аналогична обработки структуры, где в качестве подложки используется монолитная кремниевая пластина. Травление мембраны проводят на всю ее толщину - 20 мкм до слоя диэлектрика.

Чувствительный элемент датчика c нагревателем, состоящий из кремниевого кристалла с мембраной, на которой сформированы нагреватели и термочувствительные элементы, а также элементы, снижающие потери тепла от нагревателя, отличающийся тем, что элементы, снижающие потери тепла, выполнены в виде канавок вокруг мембраны, причем глубину канавки h выбирают из следующего соотношения 0,9dhd, где d - толщина мембраны.