Патент на изобретение №2170992
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) МИКРОНАГРЕВАТЕЛЬ
(57) Реферат: 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 – 200-250oC. 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 150-350oC, 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  0,2oC.
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  -Т (удельного сопротивления от температуры) (фиг. 1). Именно это свойство -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 -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 -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 -Т кривых соответствуют переходу от примесной электропроводности к собственной и смещаются в область высоких температур по мере увеличения концентрации легирующей примеси “n”: кривая 1 – Тэксстрем = 180oC при n = 1 1015 см-3; 2 – 250oC и 11016 см-3; 3 – 400oC и 11017 см-3. Колоколообразная форма -Т характеристики в кремнии сохраняется до 500oC (n = 11019 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 0,2oC, 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
РИСУНКИ
MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Дата прекращения действия патента: 15.09.2005
Извещение опубликовано: 27.09.2006 БИ: 27/2006
|
||||||||||||||||||||||||||
