Термоанемометр и способ его изготовления

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в процессе измерения параметров потоков жидкостей или газов. Предложен термоанемометр в микроэлектромеханическом (МЭМС) исполнении. Нагреватель и термодатчики заявленного термоанемометра сформированы на мембране, с обратной стороны которой выполнена герметизированная полость, заполненная материалом, коэффициент теплопроводности которого составляет менее 0,1 от коэффициента теплопроводности материала мембраны, или вакуумированная. Предложен также способ изготовления термоанемометра. Согласно данному способу на поверхности подложки формируют нагреватели и термодатчики. Мембрану формируют из материала подложки путем травления ее обратной стороны. Образовавшуюся в обратной стороне подложки полость герметизируют в среде или аргона, или криптона, или после заполнения полости твердым материалом. Технический результат: увеличение чувствительности, точности и пределов измерений. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

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

Известны 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 3623364, 4244217, 4501144, 4135396, 4478076, 4283944, 4624138, 3992940, 4680963, 5237867].

Известны также термоанемометры, содержащие нагревательный элемент, помещаемый в измеряемый поток, и чувствительный к теплу элемент, установленный в том же потоке в заданном положении относительно нагревательного элемента: поток определяют при этом по интенсивности теплопереноса. Оба типа приведенных термоанемометров известны и в микроисполнении (в интегральном исполнении): они содержат нагреваемые током слои (полоски), нанесенные на поверхность подложки или тонкой мембраны, а также содержат термочувствительные слои (термосопротивления), нагреваемые теплом, переносимым измеряемым потоком от полосок, нагреваемых током [заявка US 20080053196, патенты US 3576050, 5243858, 6527835].

Недостатком приведенных анемометров является паразитный перенос тепла от нагревателя к термодатчику, искажающий результаты измерений, уменьшающий чувствительность анемометра, точность и пределы измерений, а также увеличивающий непроизводительный расход энергии нагревателем.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является термоанемометр, нагревательный элемент и датчик температуры (термодатчик) или несколько термодатчиков которого сформированы на открытой измеряемому потоку поверхности тонкой мембраны [заявка US 20070011867, патенты US 5108193, 6631638], 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 прототипа 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, хотя и в меньшей степени.

Целью предлагаемого изобретения является увеличение чувствительности, точности и пределов измерений термоанемометра.

Указанная цель достигается тем, что с обратной стороны мембраны (т.е. со стороны, противоположной лицевой, которая обращена к измеряемому потоку и на которой сформированы нагреватель и термодатчик) термоанемометра (по прототипу) выполнена полость, или заполненная материалом с низкой теплопроводностью, или вакуумированная. Низкой в данном случае предлагается считать теплопроводность, если коэффициент теплопроводности материала составляет менее 0,1 от коэффициента теплопроводности материала мембраны.

Полость с обратной стороны мембраны в варианте предлагаемого изобретения сформирована в процессе травления подложки для получения мембраны нужной толщины. Подобный вариант использован в связи с тем, что термоанемометры в микроисполнении особенно эффективны, когда сформированы на одном кристалле со схемой питания и обработки сигнала. При этом на мембране формируется преобразователь потока в электрический сигнал, а в объемной части того же материала формируется электронная схема питания прибора и обработки сигнала.

В варианте настоящего изобретения в качестве материала с низкой теплопроводностью предлагается использовать аргон или ксенон, имеющие теплопроводность 0,0177 Вт/(м·K) и 0,0057 Вт/(м·K), соответственно. У кремния, одного из самых используемых для производства подобных датчиков материала, теплопроводность составляет 149 Вт/(м·K).

При этом полость герметизируют в среде аргона или криптона крышкой путем приклеивания ее к подложке, или припаивания, или приваривания, или посадки на оптический контакт, или прижима через упругую прокладку. В качестве крышки используют пластину из материала подложки (мембраны) или стенку корпуса анемометра. Можно использовать крышки и из иных достаточно прочных и технологичных материалов.

Наиболее эффективен вариант изобретения, в котором полость вакуумирована. Для этого герметизацию полости проводят в вакууме.

Описанная герметизация может производиться и для негазообразных наполнителей полости - для стабилизации характеристик термоанемометра, например, путем защиты наполнителя от воздействия окружающей среды.

В другом варианте изобретения термоанемометр выполнен на мембране, вытравленной в подложке из кремния, а материалом с низкой теплопроводностью, заполняющим полость, является или стекло (коэффициент теплопроводности 1 Вт/(м·K)), или иное твердое вещество с низкой теплопроводностью. Вытравленная в кремниевой подложке мембрана может быть затем подвергнута дополнительным обработкам (окислению, наращиванию, нанесению диэлектрических или проводящих слоев и т.п.).

На Фиг.1 схематично (без изолирующих слоев, без проводящих дорожек и т.д.) изображен вариант предлагаемого термоанемометра, изготовленный на кремниевой подложке путем вытравливания полости в процессе создания мембраны. Цифрами обозначены:

1 - подложка,

2 - мембрана,

3 - нагреватель,

4 - термодатчик,

5 - вакуумированная полость,

6 - крышка.

Примером конкретного исполнения может служить термоанемометр, выполненный на подложке из кремния КЭФ 4,5 Ом·см с ориентацией (100) толщиной 460 мкм. Мембрана выполнена двухслойной (SiO₂ - Si₃N₄) и имеет следующие размеры: длина - 1,2 мм, ширина - 0,5 мм, толщина - 2 мкм. Нагреватель выполнен в виде пленки из Pt толщиной 0,3 мкм, термодатчик выполнен в виде такой же пленки, крышкой служит пластина кремния, припаянная к подложке с помощью нанесенного слоя стекла толщиной 3 мкм. Крышка установлена в условиях низкого вакуума (давление 1,3 Па), поэтому в полости такой же вакуум. За пределами мембраны в слое кремния выполнены датчик температуры окружающей среды, а также электронная схема питания термоанемометра и обработки и передачи сигнала о величине измеряемого потока газа или жидкости.

1. Термоанемометр, содержащий мембрану со сформированными на ней нагревателем или нагревателями и термодатчиком или термодатчиками, отличающийся тем, что на стороне мембраны, противоположной той стороне, на которой сформированы нагреватель или нагреватели и термодатчик или термодатчики, выполнена полость, заполненная материалом, коэффициент теплопроводности которого составляет менее 0,1 от коэффициента теплопроводности материала мембраны, или вакуумированная.

2. Термоанемометр по п.1, отличающийся тем, что материалом с низкой теплопроводностью является аргон или ксенон.

3. Термоанемометр по п.1, отличающийся тем, что мембрана выполнена в кремниевой подложке, а материалом с низкой теплопроводностью является или стекло, или иное твердое при температуре эксплуатации вещество с коэффициентом теплопроводности менее 0,1 от коэффициента теплопроводности материала мембраны.

4. Способ создания термоанемометра по любому из пп.1-3, заключающийся в том, что на поверхности подложки формируют нагреватель или нагреватели и термодатчик или термодатчики, мембрану формируют из материала подложки с последующими обработками путем травления ее обратной стороны, а образовавшуюся в обратной стороне подложки полость герметизируют в среде или аргона, или криптона, или после заполнения полости твердым материалом.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что полость герметизируют крышкой приклеиванием ее к подложке, или припаиванием, или привариванием, или посадкой на оптический контакт, или прижимом через упругую прокладку.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что в качестве крышки используют пластину из материала мембраны.

7. Способ по п.5, отличающийся тем, что в качестве крышки используют стенку корпуса анемометра.