Способ измерения температуры, термоэлектронномеханический преобразователь с автоэлектронной эмиссией и способ его изготовления
Владельцы патента RU 2447411:
Ачильдиев Владимир Михайлович (RU)
Солдатенков Виктор Акиндинович (RU)
Грузевич Юрий Кириллович (RU)
Изобретения относятся к области измерительной техники, в частности к средствам измерения температуры и тепловых излучений, а также к инфракрасным детекторам, и могут найти применение, в том числе в инфракрасных камерах. Техническое решение заключается в том, что определяют изменения параметров термочувствительного элемента в зависимости от изменения температуры и определяют текущее значение температуры по величине указанных параметров. В качестве термочувствительного элемента используют биморфный элемент, размещенный в электрическом поле, а о текущем значении температуры судят по изменению тока эмиссии в зависимости от механической деформации биморфного элемента от температуры. В качестве биморфного элемента используют преобразователь, первый слой выполнен из окисла ванадия, а второй - из вольфрама. Термоэлектронномеханический преобразователь с автоэлектронной эмиссией содержит один чувствительный элемент с одной полупроводниковой структурой и электронную схему. Чувствительный элемент размещен на основании преобразователя с зазором относительно токопроводящей площадки, на поверхности которой сформирован, по меньшей мере, один вискер. В биморфном элементе выполнены отверстия. Два и более биморфных элемента объединены в матричную структуру на общем кристалле. Электронная схема содержит электронные ключи и мультиплексоры опроса строк и столбцов, связанные с общим видеовыходом. Технический результат заключается в увеличении диапазона измерений от 2 до 500 мкм тепловых излучений и увеличении точности измерений температуры (спектральной плотности шума нулевого сигнала). 3 н. и 4 з.п ф-лы, 9 ил.
Изобретения относятся к области измерительной техники, в частности к средствам измерения температуры и тепловых излучений, а также к инфракрасным детекторам, и могут найти применение, в том числе в инфракрасных камерах.
Известен способ измерения температуры с помощью полупроводникового датчика температуры на основе пластически деформированной пленки германия на арсениде галлия, заключающийся в пропускании тока через чувствительный элемент и измерении падения напряжения на токовых контактах (Авторское свидетельство СССР N887945, кл. G01K 7/24, 1989).
Однако этот способ не обладает требуемой точностью при измерениях в магнитных полях из-за возникновения на измерительных контактах дополнительного изменения напряжения, связанного с эффектом магнитосопротивления.
Известен способ, в котором используются размерные эффекты в полупроводниках, заключающийся в пропускании в произвольном направлении вдоль чувствительного элемента тока, ориентировании датчика так, чтобы толщина чувствительного элемента была перпендикулярна направлению вектора индукции магнитного поля, и последующем измерении величины напряжения на измерительных контактах (Авторское свидетельство СССР N1118872, кл. G01K 7/22, 1982).
Однако и этот способ не позволяет с высокой точностью проводить измерения в магнитных полях в связи с тем, что сопротивление датчика сильно возрастает с увеличением магнитных полей и при понижении температуры, поэтому резко возрастает погрешность измерений.
Известны охлаждаемые и неохлаждаемые инфракрасные детекторы. Охлаждаемые инфракрасные детекторы требуют криокуллер для криогенного охлаждения. Криокуллер существенно снижает тепловые шумы. Ртутный теллурид кадмия (HgCdTe) и антимонид индия (InSb) являются наиболее распространенными материалами, используемыми в охлаждаемом детекторе. Криокуллер представляет собой механическое устройство с движущимися частями и требует технического обслуживания после 8000÷10000 часов работы. Это приводит к резкому увеличению стоимости изготовления и стоимости эксплуатационного обслуживания инфракрасных детекторов.
Данный недостаток устранен в неохлаждаемом инфракрасном детекторе (см. например, Uncooled Infrared Detectors Achieve New Performance Levels and Cost Targets. Sofradis EC, Inc. Pesourece Center, 2009) на основе микроболометрических преобразователей.
Основным видом неохлаждаемых детекторов сегодня являются микроболометры. Инфракрасное излучение в диапазоне длин волн 7÷13 мкм, попадая на поверхность материала детектора микроболометра, поглощается и его поверхность нагревается. В результате этого изменяется электрическое сопротивление материала, которое является информацией о температуре.
В настоящее время в микроболометрических детекторах применение получили аморфный кремний (a-Si) и оксид ванадия (VOx).
Микроболометры на основе аморфного кремния получили достаточно широкое распространение из-за низкой стоимости изготовления, но имеют худшие шумовые характеристики по сравнению детекторами на основе VOx.
Так, известны болометрический детектор, устройство для обнаружения инфракрасного излучения с использованием такого болометрического детектора и способ для изготовления этого детектора (Патент РФ №2356017, МПК G01J 5/20, 14.10.2004). Болометрический детектор содержит чувствительную часть, имеющую один или несколько слоев чувствительного материала, удельное сопротивление которого изменяется с температурой, электроды, изолированные друг от друга, также действующие как поглотитель инфракрасного излучения. При этом указанные электроды находятся в контакте с чувствительным материалом на протяжении, по меньшей мере, части своей поверхности. Кроме того, детектор содержит, по меньшей мере, одну опорную область для позиционирования указанной чувствительной части, действующую как электрический проводник относительно схемы считывания, связанной с болометрическим детектором. Детектор также содержит, по меньшей мере, одну теплоизоляционную структуру, электрически и механически соединяющую каждую опорную область с чувствительной частью. Области чувствительного материала, не находящиеся в контакте с электродами, имеют, по меньшей мере, один гофр, ориентированный вдоль направления, перпендикулярного к плоскости, содержащей чувствительную часть болометрического детектора.
Недостатком указанного технического решения является невысокая точность измерения температуры и узкий диапазон регистрации излучения.
Технический результат от использования предлагаемых изобретений заключается в увеличении диапазона измерений от 2 до 500 мкм тепловых излучений и увеличении точности измерений температуры (спектральной плотности шума нулевого сигнала).
Указанный технический результат достигается тем, что в способе измерения температуры, включающем определение изменений параметров термочувствительного элемента в зависимости от изменения температуры и определение текущего значения температуры по величине указанных параметров, в качестве термочувствительного элемента используют биморфный элемент, размещенный в электрическом поле, а о текущем значении температуры судят по изменению тока эмиссии в зависимости от механической деформации биморфного элемента от температуры.
Кроме того, в качестве биморфного элемента используют преобразователь, первый слой которого выполнен из окисла ванадия, а второй - из вольфрама.
Для термоэлектронномеханического преобразователя (ТЭМП) с автоэлектронной эмиссией (АЭЭ), содержащего, по меньшей мере, один чувствительный элемент с, по меньшей мере, одной полупроводниковой структурой, и электронную схему, указанный технический результат достигается тем, что чувствительный элемент выполнен в виде биморфного элемента, размещенного на основании преобразователя с зазором относительно токопроводящей площадки, на поверхности которой, обращенной к биморфному элементу, сформирован, по меньшей мере, один вискер.
Кроме того, первый слой биморфного элемента выполнен из окисла ванадия, второй - из вольфрама.
Кроме того, в биморфном элементе выполнены отверстия, предназначенные для удаления жертвенного слоя и уменьшения влияния аэродинамического сопротивления и конвективного теплообмена.
Кроме того, два и более биморфных элемента объединены в матричную структуру на общем кристалле, на котором размещены контактные площадки строк и столбцов соответствующих биморфных элементов, и контактные площадки «земли», а электронная схема содержит соответствующие электронные ключи и мультиплексоры опроса строк и столбцов, связанные с общим видеовыходом.
Для способа изготовления термоэлектронномеханического преобразователя на основе поверхностной микромеханической технологии для кремниевого или сапфирового основания, в котором предварительно созданы соответствующие планарные интегральные схемы, указанный технический результат достигается тем, что сначала формируют контактные площадки на обратной стороне основания, затем создают первый проводниковый слой, после чего осуществляют формирование контуров чувствительных элементов и удаление жертвенного слоя, а завершают процесс изготовления корпусировкой преобразователя и формированием вискеров.
Изобретения поясняются чертежами.
На фиг.1 приведена схема построения ячейки матрицы термоэлектронномеханического преобразователя (ТЭМП).
На фиг.2 приведена электрическая схема соединений ячейки ТЭМП.
На фиг.3 представлена функциональная схема матрицы ТЭМП с автоэлектронной эмиссией (АЭЭ).
На фиг.4 приведен общий вид кристалла матрицы ТЭМП.
На фиг.5 показана укрупненная блок-схема технологического процесса изготовления ТЭМП.
На фиг.6 приведена схема положения площадки преобразователя ТЭМП при Т>Т0.
На фиг.7 показано положение площадки преобразователя ТЭМП при Т<Т0.
На фиг.8 кристалл матрицы ТЭМП в корпусе микросхемы.
На фиг.9 приведен разрез микросхемы ТЭМП.
На фиг.1 обозначено:
□=2C - размер окна;
Y0=2C - размер окна по оси У;
Х0=2С - размер окна по оси X;
2Z0=C;
Nx=2(N1-1) - количество окон вдоль оси X;
Nу=2(N2-2) - количество окон вдоль оси У,
где N1=2, 4, 8, …
Цифрами обозначены:
1 - основание;
2 - токопроводящая площадка катода;
3 - биморфная площадка ТЭМП;
3.1 Слой VOx;
3.2 Слой W;
3.3 Технологические отверстия;
4 - опора основания ТЭМП;
5 - вискер (из нитевидных кристаллов);
OXYZ - система координат.
На фиг.2 приведены следующие обозначения:
6 - Uij - стабилизированное напряжение питания ячейки ТЭМП;
7 - резистор нагрузки;
8 - буферный усилитель;
Uij - выходное напряжение ij-ячейки ТЭМП;
i=1÷Nx, j=1÷Ny;
Nx - количество ячеек по оси X;
Ny - количество ячеек по оси Y.
На фиг.3 приведены следующие обозначения:
9 - матрица ТЭМП;
10 - электронные ключи;
11 - мультиплексор опроса строк;
12 - видеовыход.
На фиг.4 приведены:
13 - кристалл ТЭМП;
14 - контактные площадки строк и столбцов;
15 - контактные площадки «земли».
На фиг.5 приведены:
16 - светофильтр;
17 - прозрачная крышка;
18 - корпус микросхемы;
19 - контактные площадки.
Схема построения ячейки термоэлектронномеханического преобразователя (ТЭМП) приведена на фиг.1. Ячейка ТЭМП с автоэлектронной эмиссией расположена на основании 1, выполненном из кремния или сапфира, и состоит из биморфной площадки преобразователя 3, преобразующей инфракрасное излучение в тепло. Биморфный преобразователь 3 состоит из двух слоев 3.1 и 3.2. Слой 3.1 выполнен из окисла ванадия VOx, а слой 3.2 - из вольфрама W, имеющих технологические отверстия 3.3.
Биморфная площадка 3 закреплена на основании 1 с помощью опоры основания 4 в центре рамочного катода, состоящего из проводящей площадки 2, на верхней поверхности которой расположены вискеры 5.
Технологические отверстия 3.3 предназначены для удаления жертвенного слоя и для уменьшения аэродинамического сопротивления и уменьшения влияния конвективного теплообмена.
Схема включения ячейки ТЭМП показана на фиг.4. Напряжение питания ячейки U подается через нагрузочный резистор 7 на площадку биметаллического преобразователя 3 и на вход буферного усилителя 8. Катод 2 ТЭМП соединен с общей землей.
На фиг.3 представлена функциональная электрическая схема устройства, включающая матрицу ячеек ТЭМП с АЭЭ и электронных ключей 10, мультиплексор опроса (строк) 11 и выходной мультиплексор (столбцов) 12. Электронные ключи 10 выполнены в виде биполярных npn-транзисторов, базы которых соединены построчно и управляются сигналами, подаваемыми с выходов мультиплексоров строк 11. Поочередное считывание сигнала с элементов опрашиваемой строки на общий видеовыход производится с помощью выходного мультиплексора 12. Оба мультиплексора выполнены по технологии МДП-транзисторов с индуцированным каналом n-типа. Видеовыход 12 подключен к трансимпедансному усилителю, преобразующему токовый сигнал опрашиваемого микроболометра (не показан).
Такой способ считывания имеет преимущество перед способом считывания с делителя напряжения, так как исключает шумы, вносимые нагрузочным резистором, уменьшает перекрестные связи и напряжение питания.
Общий вид кристалла матрицы ТЭМП с АЭЭ приведен на фиг.4. В центре кристалла располагаются ячейки 3 ТЭМП. Количество строк может достигать 1024, а количество столбцов 1280. По краям кристалла располагаются контактные площадки строк и столбцов 14 и контактные площадки «земли» 15.
В процессе корпусировки происходит окончательное формирование микросхемы преобразователя с добавлением светофильтра 16, прозрачной крышки 17, корпуса микросхемы 18 и контактных площадок 19.
В основу технологии изготовления элементов ТЭМП с АЭЭ положена поверхностная микромеханическая технология, которая позволяет формировать ячейки ТЭМП в виде «грибков», подвешенных на опоре над поверхностью кремниевого или сапфирового основания, в котором предварительно созданы соответствующие планарные интегральные схемы. Создание таких ячеек является первой ключевой проблемой технологии ТЭМП с АЭЭ.
Укрупненная блок-схема изготовления нанотермоэлектромеханических преобразователей (НТЭМП) в корпусе LLCC (Leadless Leaded Chip Carrier) (фиг.5) состоит из пяти основных этапов: 5а) формирование контактных площадок на обратной стороне основания; 5б) создание первого проводникового слоя; 5в) создание контуров чувствительных элементов; 5г) удаление жертвенного слоя; 5д) корпусировка и создание вискеров.
Способ измерения температуры заключается в следующем.
Термоэлектронномеханический преобразователь преобразует радиационное излучение, попадающее на поверхность биморфного элемента, в тепловую энергию, что приводит к прогибу биморфного элемента и изменению зазора между нижней стороной площадки биморфного элемента и вискером. Изменение зазора приводит к изменению электрического поля и соответственно к изменению тока эмиссии.
При этом ток эмиссии будет равен:
i=KT[А/К],
где КТ=КмКэ - коэффициент преобразования термоэлектронномеханического преобразователя;
Км=[Z/T] - коэффициент преобразования температуры в перемещение;
Кэ=[А/М] - коэффициент преобразования перемещения в ток эмиссии.
Z - перемещение в метрах;
Т - температура, К;
А - ток в амперах.
Таким образом, предложенными изобретениями достигается технический результат, заключающийся в увеличении диапазона измерений от 2 до 500 мкм тепловых излучений и увеличении точности измерений температуры (спектральной плотности шума нулевого сигнала).
1. Способ измерения температуры, включающий определение изменений параметров термочувствительного элемента в зависимости от изменения температуры и определение текущего значения температуры по величине указанных параметров, отличающийся тем, что в качестве термочувствительного элемента используют биморфный элемент, размещенный в электрическом поле, а о текущем значении температуры судят по изменению тока эмиссии в зависимости от механической деформации биморфного элемента от температуры.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве биморфного элемента используют преобразователь, первый слой которого выполнен из окисла ванадия, а второй - из вольфрама.
3. Термоэлектронномеханический преобразователь с автоэлектронной эмиссией, содержащий, по меньшей мере, один чувствительный элемент с, по меньшей мере, одной полупроводниковой структурой, и электронную схему, отличающийся тем, что чувствительный элемент выполнен в виде биморфного элемента, размещенного на основании преобразователя с зазором относительно токопроводящей площадки, на поверхности которой, обращенной к биморфному элементу, сформирован, по меньшей мере, один вискер.
4. Термоэлектронномеханический преобразователь по п.3, отличающийся тем, что первый слой биморфного элемента выполнен из окисла ванадия, второй - из вольфрама.
5. Термоэлектронномеханический преобразователь по п.3, отличающийся тем, что в биморфном элементе выполнены отверстия, предназначенные для удаления жертвенного слоя и уменьшения влияния аэродинамического сопротивления и конвективного теплообмена.
6. Термоэлектронномеханический преобразователь по п.3, отличающийся тем, что два и более биморфных элемента объединены в матричную структуру на общем кристалле, на котором размещены контактные площадки строк и столбцов соответствующих биморфных элементов, и контактные площадки "Земли", а электронная схема содержит соответствующие электронные ключи и мультиплексоры опроса строк и столбцов, связанные с общим видеовыходом.
7. Способ изготовления термоэлектронномеханического преобразователя на основе поверхностной микромеханической технологии для кремниевого или сапфирового основания, в котором предварительно созданы соответствующие планарные интегральные схемы, отличающийся тем, что сначала формируют контактные площадки на обратной стороне основания, затем создают первый проводниковый слой, после чего осуществляют формирование контуров чувствительных элементов и удаление жертвенного слоя, а завершают процесс изготовления корпусировкой преобразователя и формированием вискеров.
