1. Тепловые микросенсоры

1
ТЕПЛОВЫЕ МИКРОСЕНСОРЫ
КОЗЛОВ Александр Геннадьевич
Омский государственный университет
им. Ф.М. Достоевского
Омск – 2010
2
1. Тепловые микросенсоры
AA
1
2
3
4
2
1
3
4
5
4
4
2
3
A
A
Рис. 1.1. Термоэлектрический приемник излучения консольного
типа, изготовленный путем анизотропного травления кремния:
(1) основание; (2) термически изолированная структура; (3)
теплогенерирующий элемент – поглощающий слой; (4)
термочувствительный
элемент
–
термоэлектрический
преобразователь; (5) контактные площадки.
Рис. 1.2. Микроболометр, изготовленный путем травления
жертвенного слоя: (1) основание; (2) термически изолированная
структура; (3) микроболометр; (4) шины считывания.
3
Тепловые микросенсоры
Тепловые микросенсоры – это микросенсоры, в которых при преобразовании
измеряемой
величины
в
выходной
сигнал
тепловые
процессы
выполняют
определяющую или существенную роль.
Роль тепловых процессов в тепловых микросенсорах:
1) параметры тепловых процессов (температура, количество тепла, тепловой поток)
являются измеряемыми величинами для тепловых микросенсоров;
2) тепловые процессы являются промежуточными при преобразовании измеряемой
величины в выходной сигнал теплового микросенсора;
3) параметры тепловых процессов (тепловые потоки) управляются измеряемой
величиной;
4) тепловые процессы активируют или регулируют процесс преобразования в
сенсоре.
4
1. Тепловые микросенсоры
Тепловые
микросенсоры
Тепловые
микросенсоры
прямого
преобразования
Тепловые
микросенсоры с
промежуточным
тепловым
преобразованием
Тепловые
микросенсоры с
управляемыми
тепловыми
потоками
Тепловые
микросенсоры с
температурной
активацией и
управлением
Комбинированные
тепловые
микросенсоры
1) микросенсоры
для измерения
температуры;
1) тепловые приемники излучения;
1) тепловые микросенсоры для измерения параметров
потоков жидкостей
и газов;
1) газовые
микросенсоры на
основе оксидных
полупроводниковых материалов;
1) термокаталитические газовые
микросенсоры
(пеллисторы).
2) тепловые
вакуумные
микросенсоры;
2) газовые
микросенсоры на
основе твердых
электролитов;
2) микрокалориметры;
3) микросенсоры
для измерения
тепловых потоков.
3)микроболометры;
2) электротепловые
преобразователи;
3) микрокалориметры;
4) биметаллические
приемники ИК
излучения с
оптическим
считыванием.
3) кондуктометрические газовые микросенсоры;
4) тепловые
акселерометры;
5) тепловые
инклинометры.
3) газовые
микросенсоры на
основе МП и МДП
структур;
4) резонансные микросенсоры.
Классификация тепловых микросенсоров
5
1. Тепловые микросенсоры
Функциональные схемы
qm  xi , t 
q2  xi , t 
q1  xi , t 
q1  xi , t 
q1  xi , t 
T  xi , t 
q
T
A xi , t 
Et 
T
qa  xi , t  q2  xi , t 
A
T  xi , t 
q
q
E
T
q3  xi , t  q2  xi , t 
Et 
T
T  xi , t 
q
T
E
Et 
T
E
A xi , t 
а
)
б
)
A xi , t 
I h t 
qh  xi , t 
I
q
в
)
Et 
A
E
q1  xi , t 
A xi , t 
qa  xi , t  q2  xi , t 
A
T  xi , t 
q
T
q
Et 
T
E
q1  xi , t 
I h t 
q h  xi , t  q2  xi , t 
I
q
T  xi , t 
q
I h t 
T
г
)
qh  xi , t 
I
q
д
)
Функциональные схемы тепловых микросенсоров (ТМС): (а) ТМС прямого преобразования; (б) ТМС с промежуточным
тепловым преобразованием; (в) ТМС с управляемыми тепловыми потоками; (г) ТМС с температурной активацией и
управлением; (д) комбинированные ТМС (термокаталитический газовый сенсор).
2.2. Тепловые микросенсоры с промежуточным тепловым преобразованием
Термоэлектрические приемники излучения:
AA
1
2
3
3
A
4
4
5
A
Рис. 1.1. Термоэлектрический приемник излучения консольного
типа, изготовленный путем анизотропного травления кремния:
(1) основание; (2) термически изолированная структура; (3)
теплогенерирующий элемент – поглощающий слой; (4)
термочувствительный
элемент
–
термоэлектрический
преобразователь; (5) контактные площадки.
6
2.2. Тепловые микросенсоры с промежуточным тепловым преобразованием
Микроболометры:
2
1
4
4
2
3
Рис. 1.2. Микроболометр, изготовленный путем травления
жертвенного слоя: (1) основание; (2) термически изолированная
структура; (3) микроболометр; (4) шины считывания.
7
2.2. Тепловые микросенсоры с промежуточным тепловым преобразованием
Электротепловые преобразователи:
8
2.2. Тепловые микросенсоры с промежуточным тепловым преобразованием
Микрокалориметры:
9
2.2. Тепловые микросенсоры с промежуточным тепловым преобразованием
10
Биметаллические приемники ИК излучения с оптическим считыванием:
LMTID – light modulating thermal image device
2.3. Тепловые микросенсоры с управляемыми тепловыми потоками
Тепловые микросенсоры для измерения параметров потоков жидкостей и газов:
11
2.3. Тепловые микросенсоры с управляемыми тепловыми потоками
Тепловые вакуумные микросенсоры:
12
2.3. Тепловые микросенсоры с управляемыми тепловыми потоками
13
Тепловые микроакселерометры:
2
1
2
3
4
8
5
z
x
6
y
x
7
Структура теплового микроакселерометра с
инерционной массой: 1 – подвижный элемент; 2
– консольная балка; 3 – рамка для крепления
подвижного элемента; 4 – неподвижный элемент;
5 – термически изолированная структура; 6 –
пленочный
нагреватель;
7
–
термочувствительный
элемент
(батарея
пленочных термопар); 8 – основание корпуса.
2.3. Тепловые микросенсоры с управляемыми тепловыми потоками
Тепловые микроакселерометры:
14
2.4. Тепловые микросенсоры с температурной активацией и управлением
Газовые микросенсоры на основе оксидных полупроводниковых материалов:
15
2.5. Комбинированные тепловые микросенсоры
Термокаталитические газовые микросенсоры (пеллисторы):
16
17
Тепловые микросенсоры
Конструктивные особенности:
1. Основание:
- кремний;
- диэлектрическая подложка.
2. Термически изолированная структура:
- диоксид кремния;
- нитрид кремния;
- диоксид кремния – нитрид кремния.
3. Теплогенерирующий элемент:
а) нагреватель:
- тонкопленочный резистор;
- диффузионный резистор;
- CMOS-транзистор;
- p-n переход;
б) поглощающий слой;
в) каталитический слой.
4. Термочувствительный элемент:
а) терморезистивный преобразователь:
- тонкопленочный платиновый резистор;
- тонкопленочный никелевый резистор;
- тонкопленочный резистор из
поликремния;
б) термоэлектрический преобразователь
(пленочная батарея термопар):
- алюминий/поликремний;
- p-поликремний/n-поликремний;
в) p-n переход.
5. Биметаллический элемент:
- золото/нитрид кремния;
- алюминий/нитрид кремния.
18
Тепловые микросенсоры
Типы термически изолированных структур:
Консоль
Мосты
Мембраны
(
а
)
Подвешенные платы
(
б
)
19
Тепловые микросенсоры
Технологические методы:
1. Анизотропное травление кремния:
- химическое (KOH; этилендиамин;
пирокатехин);
- плазмохимическое (реактивный газ).
4. Напыление металлических слоев:
- алюминий;
- никель;
- золото.
2. Травление жертвенного слоя (SiO2; Al;
poly-Si):
- химическое;
- плазмохимическое (реактивный газ).
5. Получение поликристаллического кремния.
3. Формирование диэлектрических слоев::
- диоксид кремния;
- нитрид кремния.
6. Фотолитография.
20
Спасибо за внимание