Микронагреватель

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, более конкретно - к микроприборам, в которых требуется поддержание заданной, повышенной по сравнению со средой температуры. Микронагреватель содержит резистор, токовводы и металлические контактные площадки. Резистор и токовводы выполнены из монокристаллической кремниевой фольги. Микронагреватель имеет форму полоски переменного сечения, широкая часть которой является резистором, а узкая - токовводами, в которых сформированы области низкоомного кремния и имеется силицидное покрытие. При этом окончания токовводов выполняются в виде площадок с сформированными на них металлическими контактами. В результате получен микронагреватель с малой инертностью, большим диапазоном рабочих температур, экстремальным характером зависимости сопротивления от температуры. 2 ил.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, более конкретно - к микроприборам, в которых требуется поддержание заданной, повышенной по сравнению со средой температуре. Может быть использовано для нагрева до рабочей температуры каталитических слоев газоанализаторов, в катарометрах хроматографов, при термостатировании микросхем, кварцевых резонаторов, в расходомерах жидкостей и газов, уровнемерах, вакууммметрах. Конструкция монокристаллического кремниевого терморезистивного сенсора (патент РФ N 2058604, бюллетень изобретений N 11, 1996), изготавливаемого по технологии, близкой к КСДИ (кремниевые структуры с диэлектрической изоляцией), принята в качестве аналога.

Известны микронагреватели на основе металлических сплавов типа нихрома (Зайцев Ю. В. , Громов В.С., Григораш Т.С. Полупроводниковые термоэлектрические преобразователи. Радио и связь, 1985). В данном случае сплав наносится на пластину кремния, пассивированного пленкой SiO₂), далее с помощью фотолитографии производится формирование токопроводящих дорожек микронагревателя и металлизированных контактов к нему. Такая конструкция выбрана нами за ближайший прототип.

Недостатки этого нагревателя состоят в следующем.

1. Ограниченная предельная рабочая температура - 200-250^oC. Выше нее тонкопленочный резистор утрачивает стабильность вследствие процессов рекристаллизации, внутреннего окисления, термической усталости, возникающей из-за большой разницы температурных коэффициентов линейного расширения пленки и подложки.

2. Для термостатирования необходим прибор, измеряющий температуру и выдающий сигнал в схему ее регулирования. Однако вмонтировать такой прибор - термопару или терморезистор в микронагреватель сложно, т.к. по размерам он вполне сопоставим с самим нагревателем и с объектом нагрева, поэтому вносит искажения в тепловое поле и в результате измерений.

3. Тонкопленочная конструкция нагревателя невозможна без подложки, толщина и масса которой в сотни раз больше чем собственно нагреватель. Это резко увеличивает габариты, инерционность и энергопотребление прибора в целом.

4. Неизбежно существующая металлургическая граница токоввод - резистивный слой, нагретая до рабочей температуры, является одним из основных источников нестабильности номинального сопротивления микронагревателя.

5. При низком сопротивлении требуется питание большим током, что в микронагревателе приводит к большим потерям тепла через тоководы, сечение которых должно намного превосходить сечение резистивной шины. Приходится увеличивать мощность, бесполезное рассеяние которой приводит к делокализации нагрева.

Задачей настоящего изобретения является создание термостатированного микронагревателя на фиксированную температуру в диапазоне 150-350^oC, для поддержания постоянства которой при изменении внешних условий не требуется ее измерения. При этом нагреватель должен обладать минимальными габаритами и тепловой инерционностью, временной стабильностью поддержания фиксированной температуре на уровне ±0,2^oC.

Поставленная задача решается тем, что микронагреватель, содержащий резистор, токовводы и металлические контактные площадки, отличается тем, что токовводы выполнены из монокристаллической кремниевой фольги, микронагреватель имеет форму полоски переменного сечения, широкая часть которой является резистором, а узкая токовводами, в которых сформированы области низкоомного кремния и имеется силицидное покрытие, причем окончания токовводов выполняются в виде площадок для формирования на них металлических контактов. Более точно размеры выбираются в зависимости от условий эксплуатации, так, чтобы теплосток через токовводы был пренебрежимо мал.

Новизна заявляемого изобретения заключается в том, что впервые используется специфическая особенность монокристаллических полупроводников, а именно колоколообразный вид характеристики ρ-Т (удельного сопротивления от температуры) (фиг. 1). Именно это свойство ρ-Т характеристики, не присущее никаким другим резистивным материалам, позволяет термостатировать нагреватель, не прибегая к измерению его температуры, что отличает его от прототипа. Реализовать указанную выше особенность ρ-Т характеристики полупроводникового кремния можно лишь в том случае, если конструкция микронагревателя является самонесущей, т. е. не содержит подложки, а токовводы не служат одновременно теплостоками. В противном случае неизбежна неравномерность нагрева кремния по площади, что ведет к неопределенности термостатируемой температуры.

На фиг. 1 графически представлена характеристика ρ -Т; на фиг. 2 - конструкция микронагревателя, где: 1 - резистор; 2 - токовводы; 3 - металлические контактные площадки; 4 - пленка силицида.

В предлагаемой конструкции резистор 1 (см. фиг. 2) свободно подвешивается на двух токовводах 2, выполненных из монокристаллической кремниевой фольги, отделяющих нагреватель от металлических контактных площадок 3. Причем для уменьшения сопротивления выводов и создания омического контакта в токовводах сформированы области низкоомного кремния, которые дополнительно покрываются пленкой силицида 4.

Задача АСУ сводится к поддержанию максимального электрического сопротивления микронагревателя. Основу схемы составляет узел вычисления знака дифференциального сопротивления микронагревателя, который вырабатывает управляющий сигнал для источника питания. При положительном знаке дифференциального сопротивления вырабатывается сигнал, приводящий к уменьшению питающего напряжения, при отрицательном - к увеличению.

Экстремумы ρ-Т кривых соответствуют переходу от примесной электропроводности к собственной и смещаются в область высоких температур по мере увеличения концентрации легирующей примеси "n": кривая 1 - Т_{эксстрем} = 180^oC при n = 1•10¹⁵ см^-3; 2 - 250^oC и 1•10¹⁶ см^-3; 3 - 400^oC и 1•10¹⁷ см^-3. Колоколообразная форма ρ-Т характеристики в кремнии сохраняется до 500^oC (n = 1•10¹⁹ см^-3), что является верхним пределом термостата. Нижний предел температуры нагревателя определяется только степенью чистоты исходного кремния и процесса изготовления.

Следует отметить, что термостатируемый объект может иметь и T<T в зависимости от размеров нагревателя и интенсивности передачи тепла от него к объекту нагрева.

Устройство может применяться в двух вариантах.

1. Нагреватель - термостат. Используется свойство микронагревателя точно поддерживать заданную температуру при изменении внешних условий, т.е. обеспечивать термостатирование объекта при условии, что его температура будет превышать температуру окружающей среды. Точность поддержания температуры ± 0,2^oC, мощность от 1 мВт и выше.

2. Нагреватель - измерительный прибор. Используется зависимость мощности, необходимой для питания термостатированного нагревателя при, изменении внешних условий - состава среды, скорости обтекания, давления.

Формула изобретения

Микронагреватель, содержащий резистор, токовводы и металлические контактные площадки, отличающийся тем, что резистор и токовводы выполнены из монокристаллической кремниевой фольги, причем микронагреватель имеет форму полоски переменного сечения, широкая часть которой является резистором, а узкая - токовводами, в которых сформированы области низкоомного кремния и имеется силицидное покрытие, причем окончания токовводов выполняются в виде площадок с сформированными на них металлическими контактами.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2