Полупроводниковый терморезистор

 

Изобретение предназначено для прецизионных измерений температуры. Полупроводниковый терморезистор выполнен в виде монокристалического кремниевого резистора с контактами к нему. В в плане резистор имеет форму меандра. Он размещен в канавке, сформированной в подложке из высокоомного поликремния, и изолирован от нее слоем окисла кремния. Для снижения инерционности под всей площадью резистора имеется полость. Высокое сопротивление обеспечивает низкие измерительные токи и снижение уровня собственных шумов, что позволяет использовать изобретение для измерений в диапазоне -100...+600^oС с точностью до десятых долей градуса. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано в приборах для измерения температуры, расходов, скоростей, состава газов и жидкостей.

Промышленно выпускаемые терморезисторы представляют собой керамические таблетки, спеченные из порошков оксидов.

Эти устройства просты по конструкции, дешевы, но в измерительных целях их применение ограничено, так как они обладают низкой стабильностью и точностью измерений, их параметры плохо воспроизводимы, а инерционность высока. Эти недостатки являются следствием объемной конструкции и зависимости свойств от многих параметров величины и формы зерен исходного порошка, температуры и продолжительности спекания, пористости, однородности химического состава.

От этих недостатков свободны монокристаллические терморезистивные элементы (ТЭ), свойства которых предсказуемы и однозначны, а чувствительность может достигать нескольких процентов изменения сопротивления на градус.

Однако планарная конструкция кремниевых резисторов, широко используемых в интегральных схемах, формируется путем легирования кремния методами диффузии или ионной имплантации (так как изоляция осуществляется p-n-переходами), поэтому невозможно использовать собственный кремний, имеющий наивысшее значение температурного коэффициента удельного сопротивления.

Известна конструкция ТЭ в виде бруска монокристаллического кремния, на противоположные концы которого нанесены металлические контакты. В этой конструкции снимается ограничения, связанные с диффузией или ионной имплантацией. Эта конструкция является ближайшим аналогом и принимается за прототип.

Главный недостаток ее состоит в том, что брусок вследствие хрупкости кремния не может иметь большое отношение длины к поперечным размерам, поэтому обладает низким электрическим сопротивлением, а следовательно, и малой чувствительностью (доли Ом/град). Так, брусок сечением 2х2 мм² и длиной 8 мм (весьма трудный в изготовлении) имеет сопротивление не более 100 Ом. Поэтому измерительный ток, протекающий через резистор, разогревает его, что приводит к снижению точности измерений. К тому же измерения сопротивлений на столь низком уровне требуют прецизионный аппаратуры, а вклад сопротивлений контактов и проводов велик и отрицательно сказывается на точности.

Само по себе изготовление кремниевых брусков операция, не обеспечивающая точности геометрических размеров, требующая затрат ручного труда, а объемная конструкция резистора обусловливает высокую инерционность.

Была поставлена задача объединить преимущества планарной и объемной конструкций резисторов и создать ТЭ, обладающий высокой чувствительностью, а следовательно, и высокой точностью измерений температуры при одновременном снижении инерционности, требований к аппаратуре, измерительной схеме, затрат труда.

Поставленная задача повышения чувствительности достигнута за счет того, что в полупроводниковом терморезисторе, содержащем резистивный элемент из монокристаллического кремния и контакты, резистивный элемент размещен на подложке из высокоомного поликремния в канавке, выполненной в форме меандра, и изолирован от подложки слоем оксида кремния.

Для снижения инерционности устройства в подложке выполнена полость под резистивным элементом, благодаря чему чувствительность возрастает примерно до 5 Ом/град, что позволяет проводить измерения с точностью до 0,1 град.

Для снижения инерционности до предельно низких значений под площадью меандра сформирована полость, так что толщина термочувствительного слоя может быть сведена до 20-30 мкм.

Не известно техническое решение, в котором предлагались бы высокоомные, высокочувствительные и малоинерционные планарные ТЭ. Предлагаемая конструкция оригинальна и имеет изобретательский уровень.

На фиг. 1 и 2 представлена конструкция предлагаемого терморезистора, где 1 подложка из высокоомного поликремния, 2 монокристаллический кремниевый резистивный элемент, 3 канавка, 4 изолирующий слой оксида кремния, 5 полость, 6 контакты; на фиг. 3 представлены температурная зависимость удельного сопротивления терморезистора.

Для изготовления терморезистора выбран кремний марки КЭФ 4, 5, ориентации (100), диаметром 76 мм с температурной зависимостью согласно фиг. 3. Методом фотолитографии по оксиду кремния сформирован меандр. Затем путем химического травления в растворе КОН была сформирована канавка 3 глубиной порядка 30 мкм. Далее термическим окислением получают изолирующий слой 4 и выращивают поликремний 1 толщиной порядка 400 мкм. После сошлифовки монокремния получают искомую конструкцию. Для получения полости 5 с обратной стороны подложки проводят травление по поликремнию 1, при этом слой SiO₂ является индикатором окончания травления.

Толщина резистивного элемента 2 может варьировать в пределах 20-50 мкм и ширина 50 мкм т более так, что число квадратов меандра достигает нескольких тысяч на площади 1 мм² (фиг. 1 и 2). Благодаря этому в формуле полного сопротивления R= _sK можно варьировать в широких пределах (до 10⁷ Ом) как удельным сопротивлением (0,00.1000 Ом см), так и числом квадратов (более 1000).

Терморезистор надежно защищен от механических повреждений, а химическая стабильность кремния гарантирует длительную его работу даже без тщательной герметизации.

Испытания показали, что изменение сопротивления меандра, имеющего при комнатной температуре сопротивление 1 МОм, составляет в диапазоне +100.-100^оС 5 кОм/град, в диапазоне +150.+500^оС около 10 кОм/град.

Благодаря столь большой чувствительности при токе 1 мкА обеспечивается крутизна 5-10 мВ на градус, что на три порядка превышает уровень собственных шумов измерительных приборов и позволяет вести измерение температуры с точностью до сотых долей градуса.

Формула изобретения

1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ТЕРМОРЕЗИСТОР, содержащий резистивный элемент из монокристаллического кремния и контакты, отличающийся тем, что резистивный элемент размещен на подложке из высокоомного поликремния в канавке, выполненной в форме меандра и изолированной от подложки слоем оксида кремния.

2. Терморезистор по п. 1, отличающийся тем, что в подложке выполнена полость под резистивным элементом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3