ES2232298B1 - Microchip multisensor de medida de flujo, temperatura y concentracion de gases para el control de la combustion, procedimiento de fabricacion y sus aplicaciones. - Google Patents
Microchip multisensor de medida de flujo, temperatura y concentracion de gases para el control de la combustion, procedimiento de fabricacion y sus aplicaciones.Info
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Abstract
Microchip multisensor de medida de flujo, temperatura y concentración de gases para el control de la combustión, procedimiento de fabricación y sus aplicaciones. En la presente invención se reivindica el diseño y fabricación de un chip microelectrónico que integra un conjunto de sensores de gases, flujo y temperatura. Con este nuevo microchip es posible determinar las concentraciones de diversos gases en un ambiente, su caudal y temperatura. Dichas medidas permiten monitorizar la combustión en una caldera doméstica y actuar sobre su funcionamiento para conseguir una combustión baja en emisiones y segura.
Description
Microchip multisensor de medida de flujo,
temperatura y concentración de gases para el control de la
combustión, procedimiento de fabricación y sus aplicaciones.
La invención se encuadra en el Sector Electrónico
de instrumentación de bajo coste basado en el uso de las
tecnologías microelectrónicas y de microsistemas. La aplicación del
microchip multisensor detector de gases desarrollado se dirige
principalmente al sector de la electrónica para aplicaciones
domésticas, de la línea blanca.
En los últimos años, el interés de los
fabricantes de calderas de uso doméstico se ha centrado en la
mejora de la calidad de la combustión, es decir, en su eficiencia
energética y en su impacto medioambiental. A pesar de los esfuerzos
invertidos, existen actualmente dos aspectos implicados en el
control de la combustión que influyen de manera relevante en su
calidad y sobre los cuales no existe todavía una actuación: la
diferencia entre las condiciones de operación específicas de cada
instalación y la variación en composición del gas suministrado
utilizado en la combustión. La falta de optimización de la
combustión en base a estos parámetros es la causa de la existencia
de emisiones no deseadas, principalmente CO. La determinación del
contenido de oxígeno (O_{2}) juntamente con el monóxido de
carbono residual puede ser usada para evaluar la eficiencia de la
combustión. Adicionalmente, la detección de los niveles de óxidos
nitrosos (NOx) es un buen indicador de la calidad de la caldera en
cuanto a producción de emisiones no deseadas. En este sentido, es de
gran interés la implementación de un sistema multifuncional que
permita la regulación y control de los parámetros implicados en la
combustión integrado por un conjunto de sensores de gases.
Para que la detección de concentraciones de gases
sea útil y precisa para el control de la combustión en caldera, es
necesario conocer adecuadamente las condiciones de trabajo de los
sensores. Debido a que la medida de la concentración se realiza en
un gas circulante, la monitorización del caudal del mismo es de
especial relevancia. Así, se hace necesaria la presencia de un
sensor de flujo en serie con el conjunto de sensores de
concentración de gases. Además, tanto la sensibilidad de los
sensores de flujo y como la de los de gases depende de su
temperatura de trabajo y la del gas circulante. Por esta razón, la
implementación de un sensor de temperatura en el microsistema
proporciona información sobre la temperatura de los gases que se
van a medir.
La familia de sensores habitualmente
desarrollados para la detección de gases e idóneas para la
integración en chip son los basados en capa de óxidos metálicos
(MOS) tales como SnO_{2}, WO_{3}, TiO_{2}, etc. obtenidos por
diferentes rutas de síntesis química o por métodos de depósito
físico. Su mecanismo de detección se basa en el cambio en la
barrera de potencial del óxido una vez expuesto a la presencia del
gas que se quiere medir. Esto produce un cambio en la resistividad
del material que se detecta a través de un par de electrodos
situados justo debajo del material sensor el cual puede ser
depositado por técnicas basadas en microdropping,
screen-printing, spray, sputtering, etc.
Aunque tradicionalmente estos materiales se
empezaron a depositar sobre los sustratos micromecanizados en forma
de película delgada (sputtering), las innovaciones en técnicas de
síntesis y depósito de los materiales sensibles permiten obtener
microgotas que suponen una mejora en la sensibilidad de los
dispositivos. La sensibilidad de estos materiales a un determinado
gas depende principalmente de su composición estequiométrica y de
su temperatura de trabajo.
Para que los fenómenos de detección tengan lugar
el material sensible debe ser calentado a una temperatura de
trabajo típicamente entre 200-550ºC dependiendo de
la composición del óxido y de la especie gaseosa a detectar. Así
pues, para el correcto funcionamiento de estos sensores se requiere
la implementación de un elemento calefactor que suele consistir en
una resistencia de platino o polisilicio que permita calentar el
material sensible al gas a la temperatura de trabajo requerida, a
la vez que un par de electrodos de platino que proporcionen la
lectura del cambio de resistividad del mismo. Para evitar su
interacción eléctrica, cuando se fabrica el dispositivo sensor de
gas, estos dos tipos de elementos se sitúan a dos niveles
diferentes.
La combinación de diferentes estructuras sensoras
de gas en un mismo chip permite detectar las diferentes especies
gaseosas presentes en una determinada atmósfera o eliminar las
posibles sensibilidades cruzadas para una especie determinada. En
este sentido, los sensores de gas basados en óxidos metálicos
destinados a la detección de CO son muy sensibles a la presencia de
oxígeno. De esta manera, debido a que los gases resultantes en una
combustión parcial pueden contener ambas especies gaseosas, es
necesario evaluar de forma simultánea la concentración de las
mismas.
De entre todas las posibles maneras de medir el
caudal de flujo, el uso de un principio basado en transferencia de
calor es el más compatible con la tecnología de fabricación de los
sensores de gases. En particular, los sensores de flujo de tipo
calorimétrico basados en tres elementos resistivos son los más
idóneos ya que, además de proporcionar una sensibilidad muy elevada
al caudal de gas de manera bidireccional, pueden ser implementados
de manera simultánea a los sensores de gases si se tienen en cuenta
determinados aspectos tecnológicos.
El principio de operación de este tipo de
sensores se basa en el calentamiento de un elemento resistivo a una
temperatura entre 100-200ºC por encima de la
temperatura ambiente. En condiciones estáticas, esta resistencia
crea una distribución de temperatura simétrica a su alrededor. Esta
simetría es alterada en presencia de un flujo circulante. La
asimetría generada en la distribución de temperatura por un flujo
de gas puede ser detectada si se sitúa una resistencia sensora a
cada lado de la resistencia calefactora, ya que el calor disipado
por ésta es transportado en el sentido del flujo por efecto de la
convección forzada. Así, la diferencia de temperatura entre las
resistencias sensoras es un parámetro directamente relacionado con
el caudal del flujo de gas.
Para implementar este tipo de sensores en un chip
se requiere un único nivel de material sensible a la temperatura
que permita definir las tres resistencias.
En esta patente se describe el desarrollo de un
microchip o microsistema multisensor compuesto por elementos
sensores basados en tecnología microelectrónica. Esta tecnología
permite una integración de los elementos sensores de bajo coste
(fabricación en modo batch) y altas prestaciones, aspecto que
facilitará su implantación en distintas aplicaciones
industriales.
Finalmente, la adecuación de un sistema de medida
a las necesidades de la aplicación en una caldera hace que sea
necesario que los sensores se sometan a un mismo flujo de gas
proveniente de la salida de humos. La integración híbrida de un
conjunto de sensores encapsulados unitariamente y conectados en
serie es una solución posible, pero poco adecuada para una
implantación en un mercado de gran consumo. Por ello se propone la
integración en un único chip del conjunto de sensores.
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Un objeto de la presente invención lo constituye
un microchip o microsistema multisensor que integra en una misma
matriz de silicio varios sensores de gases de tipo semiconductor,
un sensor de flujo de tipo térmico y un sensor de temperatura
resistivo y que está constituido por tecnología estándar y por
características específicas, así como su procedimiento de
fabricación. Este microchip, fabricada mediante la
compatibilización de las tecnologías de fabricación de los
diferentes sensores, permite una monitorización de los gases
provenientes de una combustión para generar una actuación que
permita optimizar la misma. Este microchip multisensor puede
utilizarse en la fabricación de dispositivos de detección gases
para aplicaciones de determinación de la concentración, flujo y
temperatura de gases en una determinada atmósfera, para su
utilización en la monitorización y control de la combustión; como
por ejemplo, calefactores o calderas domésticas e industriales.
La presente invención se basa en que los
inventores han observado que la detección de diferentes especies
gaseosas presentes en una misma atmósfera, conjuntamente con la
medida de otros parámetros como el flujo y la temperatura, es
posible mediante la compatibilización de las distintas tecnologías
de fabricación de los sensores de dichos parámetros en un único
microchip o microsistema multisensor. En concreto, la
compatibilización de tecnologías de fabricación de sensores de
gases de tipo semiconductor basadas en sustratos de silicio
micromecanizado con la tecnología de fabricación de sensores de
flujo calorimétricos.
Así, un objeto de la presente invención lo
constituye un microchip o microsistema multisensor, en adelante
microchip multisensor de la presente invención, que integra en una
misma matriz de silicio varios sensores de gases de tipo
semiconductor, un sensor de flujo de tipo térmico y un sensor de
temperatura resistivo y que está constituido por tecnología estándar
y por las características específicas siguientes:
- a)
- los sensores de gases y flujo se compatibilizan en un mismo nivel del microchip (Figura 5) gracias a que uno de los materiales utilizados para los sensores de gases se usa en la implementación del sensor de flujo, en concreto el platino,
- b)
- los sensores están realizados sobre sendas membranas dieléctricas totalmente ancladas por sus lados lo que permite un óptimo aislamiento térmico de las resistencias a la vez que un bajo consumo de potencia,
- c)
- las membranas dieléctricas que definen los distintos sensores se disponen en un extremo y no en el centro, con el objetivo de alejar al máximo las áreas sensoras de los pads de conexión, de manera que permita definir un canal de flujo que cubra únicamente la zona sensible a los gases mientras los pads de conexión queden fuera del mismo tal y como se ilustra en la Figura 2,
- d)
- los diferentes sensores se disponen de forma que el flujo de gas a monitorizar interaccione con ellos en el siguiente orden: sensores de gases, sensor de caudal de flujo y sensor temperatura del gas, y
- e)
- de forma opcional, dicho microchip multisensor puede contener la electrónica integrada para la polarización de los calefactores y la amplificación y linealización de las señales de salida de los sensores.
Un objeto particular de la presente invención lo
constituye un microchip multisensor de la presente invención en el
que los gases a identificar son O_{2} , CO a bajas
concentraciones, CO a altas concentraciones y NO_{x}.
Otro objeto particular de la presente invención
lo constituye un microchip multisensor de la presente invención
diseñado para operar en ambientes abiertos y cerrados. Una
realización particular de un microchip multisensorial de la
presente invención lo constituye un microchip, para operar en
ambientes cerrados, para la aplicación específica de control de los
gases de combustión en la canalización de salida de una caldera,
que tenga incorporado un encapsulado sobre el microchip multisensor
que defina una canalización de sección fija y que permita la
determinación del caudal de flujo de dichos gases. Otra realización
particular de la presente invención lo constituye un microchip
adaptado a ambientes abiertos que no precisaría el sensor de flujo
pero que la detección de gases se realizaría sin ningún
problema.
El proceso de fabricación del microchip
multisensor se basa en etapas tecnológicas microelectrónicas
estándares sobre substratos de silicio y técnicas adicionales de
micromecanizado, que proporcionan el aislamiento térmico necesario
para que los sensores que operan a altas temperaturas
(200-550ºC) tengan un bajo consumo de potencia (ver
Ejemplo 1). Durante el proceso de fabricación de la presente
invención la elaboración de los sensores de gases requiere dos
niveles de material resistivo: el polisilicio y el platino. El
polisilicio se usa en la implementación de la resistencia
calefactora que permite calentar el material sensible a los gases
(Puntos 3 y 5 en Figura 7), mientras que el platino se utiliza
tanto para definir los electrodos del sensor de gas como para
contactar eléctricamente el nivel de polisilicio, substituyendo así
al aluminio típico de un proceso estándar microelectrónico (por
ejemplo, CMOS: Complementary Metal Oxide Semiconductor).
Tal como se ha comentado anteriormente, debido a
que el sensor de flujo precisa de un único nivel de material
sensible a la temperatura, su compatibilización con el sensor de
gases requiere que uno de los materiales usados para los sensores
de gases se use en la implementación del sensor de flujo. En este
sentido, el platino, dado que es un material con una alta
estabilidad, un comportamiento lineal en un amplio rango de
temperaturas y un coeficiente
temperatura-resistencia (TCR) mayor que el
polisilicio, resulta el candidato idóneo, entre los materiales
nobles para la integración; otro potencial metal noble como
alternativa al platino es el oro.
Así, otro objeto de la presente invención lo
constituye un proceso de fabricación del microchip multisensor de
la presente invención, en adelante proceso de fabricación de la
presente invención, basado en etapas tecnológicas microelectrónicas
estándares sobre substratos de silicio y con las siguientes
características propias:
- i)
- las membranas del dispositivo, realizadas mediante una etapa de micromecanización en volumen del silicio, se han optimizado para su uso en microsensores de flujo de tipo térmico y de gases de tipo semiconductor, ya que proporcionan el aislamiento térmico necesario para que los sensores puedan operar a altas temperaturas (200-550ºC) con un bajo consumo de potencia,
- ii)
- la elaboración de los sensores de gases requiere dos niveles de material: el polisilicio y el platino, de tal forma que el polisilicio se usa en la implementación de la resistencia calefactora que permite calentar el material sensible a los gases (Puntos 3 y 5 de la Figura 7), mientras que el platino se utiliza tanto para definir los electrodos del sensor de gas como para contactar eléctricamente el nivel de polisilicio, substituyendo así al aluminio típico de un proceso estándar microelectrónico (por ejemplo, CMOS: Complementary Metal Oxide Semiconductor),
- iii)
- los sensores de flujo y temperatura, que precisan un único nivel de material sensible a la temperatura, se desarrolla y se elabora de forma compatible con el sensor de gases con lo que requiere que uno de los materiales usados para los sensores de gases se use en la implementación del sensor de flujo, por ejemplo materiales con una alta estabilidad, un comportamiento lineal en un amplio rango de temperaturas y un coeficiente temperatura-resistencia (TCR) mayor que el polisilicio, como los materiales nobles platino y oro, y
- iv)
- adicionalmente, y en aplicaciones que así lo requieran, el multisensor puede pasivarse con una bicapa de SiO_{2}/Si_{3}N_{4}, que protege los elementos sensores de la degradación que pudiera originar la presencia de humedad o trazas de gases corrosivos.
Otro objeto de la presente invención lo
constituye el uso del procedimiento de la presente invención para
la elaboración y fabricación del microchip multisensor de la
presente invención.
Finalmente, otro objeto de la presente invención
lo constituye el uso del microchip multisensor de la presente
invención en la fabricación de dispositivos de detección gases para
aplicaciones de determinación de la concentración, flujo y
temperatura de gases en una determinada atmósfera, para su
utilización en la monitorización y control de la combustión; como
por ejemplo, y únicamente a título ilustrativo y sin limitar el
alcance de la invención, calefactores o calderas domésticas e
industriales.
Las características del microchip multisensor de
la presente invención podrán comprenderse mejor con la presente
descripción hecha con referencia a los dibujos adjuntos, en los que
se muestra un ejemplo de realización no limitativo.
Figura 1: Fotografía del microsistema
fabricado.
Figura 2: Esquema de la disposición del chip en
un canal de flujo.
Figura 3: Respuesta de los sensores de gases
implementados en el microchip multisensor a una variación de la
concentración de CO de hasta dos órdenes de magnitud. El sensor A
corresponde al dispositivo de medida de CO a altas concetraciones,
Los sensores B y C corresponden a los dispositivos que determinan
simultáneamente las bajas concentraciones de Co y la de oxígeno, y
el sensor D es el dispositivo de medida del Nox.
Figura 4: Característica de uno de los sensores
sensibles a gases con el cambio del flujo de aire que demuestran la
necesidad de la implementación conjunta de los distintos
sensores.
Figura 5: Característica de respuesta del sensor
de flujo a distintas temperaturas, antes de su compensación en
temperatura con electrónica externa convencional.
Figura 6: Característica de respuesta del sensor
de flujo a distintas temperaturas, después de su compensación en
temperatura con electrónica externa convencional.
Figura 7: Esquema en 3D de la estructura del
microchip multisensor separada en las partes que la forman.
Identificación de las partes del microsistema: 1, Substrato de
silicio; 2, Capa dieléctrica; 3, Resistencia calefactora de
polisilicio; 4, Capa de óxido internivel; 5, Nivel de platino que
define: a) Resistencias sensoras para detección del flujo de aire,
b) Electrodos para material sensible a concentración de gases, y c)
Resistencia sensora de la temperatura; 6, Capa dieléctrica de
pasivación; 7, Apertura de contactos; 8, Material sensible al
gas.
Figura 8: Imágenes SEM de una microgota de
SnO_{2} (a) Vista de la microgota en sección (b) Vista aérea de
la microgota depositada sobre el substrato micromecanizado
El proceso de fabricación del microchip
multisensor de la presente invención se describe basándose en el
esquema en 3D simplificado (con únicamente un sensor de cada tipo)
de la estructura del microsistema presentado en la Figura 7. A
partir de una oblea de silicio (1) pulida por las dos caras se
crece una capa dieléctrica (2) compuesta por 1000 \ring{A} de
SiO_{2} y 3000 \ring{A} Si_{3}N_{4}. Sobre esta capa
dieléctrica se definen las resistencias calefactoras (3) de
polisilicio que permitirán calentar el material sensible de los
sensores de gas a la temperatura de trabajo. Seguidamente se
deposita una capa de SiO_{2} de 5500\ring{A} que permite aislar
eléctricamente el polisilicio de la capa de platino que se deposita
a continuación (4). Sobre esta capa metálica se definen diferentes
elementos: las resistencias sensoras que forman el sensor de flujo
(7-a), los electrodos sobre los cuales se deposita
el material sensible a los gases (7-b) y las
resistencias sensoras de temperatura (7-c). Una
capa dieléctrica de pasivación (6) protege estos elementos de la
corrosión en determinados ambientes alargando de forma considerable
la vida media de los dispositivos. Sobre esta capa se efectúan unas
aperturas (7) que permiten realizar los contactos eléctricos de los
diferentes elementos sensibles.
Además, y con el objetivo de obtener el
aislamiento térmico requerido en este tipo de sensores, se lleva a
cabo un grabado anisotrópico del substrato de silicio. Esta etapa,
conocida como micromecanización del silicio, permite definir las
membranas dieléctricas debajo de las zonas donde anteriormente se
han definido las resistencias sensoras correspondientes al sensor de
flujo y las resistencias calefactoras de los sensores de gases.
Finalmente, una vez obtenido el chip multisensor,
se procede al depósito sobre los electrodos de los materiales
sensibles a los diferentes gases que se quieran detectar. En la
Figura 8, se muestran dos detalles, con vista lateral y superior,
de uno de los sensores de gas del chip multisensor con material
sensible depositado en forma de microgota sobre una de las membranas
micromecanizadas. (Cambio de sitio)
Las dimensiones de las membranas que definen la
estructura de los diferentes sensores son de 1000 x 1000 \mum. La
zona activa de los sensores de gases es de 500 x 500 \mum. Las
dimensiones totales del chip son de 12000 x 6000 \mum^{2}.
La fabricación del chip multisensor se lleva a
cabo mediante procesos microelectrónicos sobre substratos de
silicio y técnicas adicionales de micromecanizado, que proporcionan
el aislamiento térmico necesario para que los sensores que operan a
altas temperaturas (200-550ºC) tengan un bajo
consumo de potencia.
Esta solución no sólo presenta ventajas en la
simplificación del encapsulado sino que aumenta las prestaciones
del conjunto por la proximidad de los distintos sensores y reduce
el área de silicio necesaria para su fabricación, disminuyendo así
su coste unitario siempre y cuando se diseñe un proceso de
fabricación con un rendimiento suficientemente elevado. La
integración conjunta de los sensores comporta el desarrollo de una
tecnología apropiada y de un diseño adecuado.
El microchip multisensor está desarrollado para
que sea posible su implementación tipo
chip-on-board (chip sobre
placa de circuito impreso) junto con la electrónica de control y
lectura necesaria.
Como ejemplo de aplicación de la invención
presentada en esta patente, se expone seguidamente el uso del
microchip multisensor de la presente invención para el control de
la combustión de una caldera de uso doméstico con objeto de
optimizar su eficiencia y minimizar las emisiones no deseadas.
La eficiencia en la combustión de una caldera
viene dada por la relación aire de entrada/gas metano, también
conocida como parámetro lambda. Dentro de un pequeño rango de
valores de este parámetro (1.2-1.5 en función del
tipo y calidad del gas), la eficiencia energética de la combustión
es máxima. Es decir, el gas metano se consume por completo con el
mínimo aire de entrada necesario (un exceso de aire permitiría el
consumo completo de metano pero disminuiría la eficiencia
energética de la caldera).
Fuera de este rango, no sólo disminuye la
eficiencia de la combustión sino que aparecen emisiones no
deseadas, básicamente NO_{X} y CO.
Actualmente, las calderas de uso doméstico
incorporan la electrónica necesaria para el control tanto del
ventilador como de la válvula de gas. No obstante, este control se
programa durante una calibración en fábrica por lo que, una vez
instaladas, las calderas no siempre trabajan en condiciones óptimas
en términos de impacto ambiental o eficiencia energética porque
otros factores no controlados entran en juego en la combustión.
Entre estos factores se encuentran las condiciones de operación
variables y específicas derivadas de cada instalación o composición
de gas, así como factores de envejecimiento y condiciones
climáticas, entre otros.
La medida de O_{2} y CO a la salida de la
caldera permite conocer la calidad de la combustión, ya que
emisiones de CO implican la existencia de una combustión incompleta
del gas a la vez que un aumento de O_{2} pone en evidencia un
exceso de aire en la entrada. La estrategia de control implementada
se basa en la regulación del aire de entrada de la caldera (a través
de la velocidad del ventilador) y del metano (a través de la
válvula de gas) en función de la concentración de estas dos
especies gaseosas mencionadas a la salida de la caldera. Asimismo,
es también de interés desde el punto de vista de seguridad
ambiental detectar otras especies como las de tipo NO_{x},
altamente reactivas y de altas concentraciones de CO, que resultan
perjudiciales para el ser humano.
Así, el microchip multisensor descrito en esta
patente permite medir las concentraciones de O_{2}, CO (a bajas y
a altas concentraciones) y NO_{x}. En la Figura 3 se muestra la
respuesta de los cuatro sensores de gases implementados en el
microchip a una variación de la concentración de CO de hasta dos
órdenes de magnitud. Por otra parte, la detección de los diferentes
gases se lleva a cabo en el flujo de gases circulante en el tubo de
los gases provenientes de la combustión, por lo que el flujo es un
parámetro que influye en la respuesta de los sensores. En la Figura
4 se muestra cómo varia la respuesta de un sensor cuando se
modifica el caudal de las especies a medir. Este hecho demuestra la
necesidad de la implementación de un sensor de flujo en el
microchip multisensor que permita corregir la variación de la señal
debida a este efecto.
Asimismo, debido a la dependencia de la repuesta
del sensor de flujo y de los sensores de gases con la temperatura
se incluye también en el microchip un sensor de temperatura
consistente en una resistencia de platino que permite monitorizar
la temperatura de los gases exhaustos y corregir la señal del sensor
de flujo. Las figuras 5 y 6 muestran las características de
respuesta del sensor de flujo a distintas temperaturas antes y
después de la compensación de las señales con electrónica externa
convencional.
Los sensores de gases incorporados en el
microchip multisensor pueden operar en ambientes abiertos. Sin
embargo, para la aplicación específica de control de los gases de
combustión en la canalización de salida de una caldera, que tenga
en cuenta además el flujo de dichos gases, es necesario incorporar
un encapsulado sobre el microchip multisensor que defina una
canalización de sección fija El encapsulado consiste en una pieza
de plástico que fija una sección de aire sobre el sensor de 7
mm^{2}, para conseguir un buen funcionamiento de los distintos
sensores. Dicho encapsulado puede ser de distintos materiales,
plásticos o metálicos, según la temperatura de trabajo a la que
deba operar.
Claims (8)
-
\global\parskip0.950000\baselineskip
1. Microchip multisensor de gases caracterizado porque integra en una misma matriz de silicio varios sensores de gases de tipo semiconductor, un sensor de flujo de tipo térmico y un sensor de temperatura resistivo y que está constituido por tecnología estándar y por las características específicas siguientes:- a)
- los sensores de gases, flujo y temperatura se compatibilizan en un mismo nivel del microchip (Figura 5) gracias a que uno de los materiales utilizados para los sensores de gases se usa en la implementación del sensor de flujo, en concreto el platino,
- b)
- los sensores están realizados sobre sendas membranas dieléctricas totalmente ancladas por sus lados lo que permite un óptimo aislamiento térmico de las resistencias a la vez que un bajo consumo de potencia,
- c)
- las membranas dieléctricas que definen los distintos sensores se disponen en un extremo y no en el centro, con el objetivo de alejar al máximo las áreas sensoras de los pads de conexión, de manera que permita definir un canal de flujo que cubra únicamente la zona sensible a los gases mientras los pads de conexión queden fuera del (Figura 2),
- d)
- los diferentes sensores se disponen de forma que el flujo de gas a monitorizar interaccione con ellos en el siguiente orden: sensores de gases, sensor de caudal de flujo y sensor temperatura del gas, y
- e)
- de forma opcional dicho microchip multisensor puede contener la electrónica integrada para la polarización de los calefactores y la amplificación y linealización de las señales de salida de los sensores.
- 2. Microchip multisensor según la reivindicación 1 caracterizado porque los gases a identificar son O_{2}, CO a bajas concentraciones, CO a altas concentraciones y NO_{x}.
- 3. Microchip multisensor según la reivindicación 1 caracterizado para operar en ambientes abiertos y cerrados.
- 4. Microchip multisensor según la reivindicación 3 caracterizado porque es un microchip para un ambiente cerrado constituido por un encapsulado sobre el microchip multisensor que define una canalización de sección fija y que permita la determinación del caudal de flujo de dichos gases.
- 5. Proceso de fabricación del microchip multisensor según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a la 4 basado en etapas tecnológicas microelectrónicas estándares sobre substratos de silicio caracterizado por las siguientes especificidades propias:
- i)
- las técnicas adicionales de micromecanizado proporcionan el aislamiento térmico necesario para que los sensores que operan a altas temperaturas (200-550ºC) tengan un bajo consumo de potencia (ver Ejemplo 1),
- ii)
- la elaboración de los sensores de gases requiere dos niveles de material: el polisilicio y el platino, de tal forma que el polisilicio se usa en la implementación de la resistencia calefactora que permite calentar el material sensible a los gases (Figura 3 y 5), mientras que el platino se utiliza tanto para definir los electrodos del sensor de gas como para contactar eléctricamente el nivel de polisilicio, substituyendo así al aluminio típico de un proceso estándar microelectrónico (por ejemplo, CMOS: Complementary Metal Oxide Semiconductor),
- iii)
- el sensor de flujo y el sensor de temperatura, que precisan de un único nivel de material sensible a la temperatura, se desarrollan y se elaboran de forma compatible con el sensor de gases con lo que requieren que uno de los materiales usados para los sensores de gases se use en la implementación del sensor de flujo, por ejemplo materiales con una alta estabilidad, un comportamiento lineal en un amplio rango de temperaturas y un coeficiente temperatura-resistencia (TCR) mayor que el polisilicio, como los materiales nobles platino y oro, y
- iv)
- adicionalmente, y en aplicaciones que así lo requieran, el multisensor puede pasivarse con una bicapa de SiO_{2}/Si_{3}N_{4}, que protege los elementos sensores de la degradación que pudiera originar la presencia de humedad o trazas de gases corrosivos.
- 6. Uso del procedimiento según la reivindicación 5 para la elaboración y fabricación del microchip multisensor según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a la 4.
- 7. Uso del microchip multisensor según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a la 4 en la fabricación de dispositivos de detección gases para aplicaciones de determinación de la concentración, flujo y temperatura de gases en una determinada atmósfera, para su utilización en la monitorización del nivel de emisiones y control de la combustión.
- 8. Uso del microchip multisensor según la reivindicación 7 caracterizado porque el dispositivo o aparato pertenece, entre otros, al siguiente grupo: calefactores o calderas domésticas.
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