RU2074429C1

RU2074429C1 - Temperature transducer

Info

Publication number: RU2074429C1
Application number: RU94016497A
Authority: RU
Inventors: В.М. Андреев; А.П. Есенков; Д.В. Зиновьев; К.А. Тузовский
Original assignee: Московский государственный институт электронной техники (технический университет)
Priority date: 1994-04-29
Filing date: 1994-04-29
Publication date: 1997-02-27

Abstract

FIELD: semiconductor devices for transmission of electric signal caused by temperature. SUBSTANCE: device has temperature-sensitive resistor 1 and heater 2 with contact plates 3. temperature-sensitive resistor 1 and heater 2 are made from single-crystal silicon and are designed as lines which are located in substrate 4 of heavy-conductivity polysilicon. Both temperature-sensitive resistor 1 and heater 2 are insulated from substrate 4 by means of silicon dioxide layer 5. Single-crystal line of heater 2 is covered with layer 6 which is made from silicide of transient metal, such as Ni, Cr, Ti or Mo. Layer 6 and contact plates 3 to heater 2 and temperature-sensitive resistor 1 are manufactured in single cycle for example by means of deposition without additional complexity of process. EFFECT: increased precision and stability, low delay. 3 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к полупроводниковой технике, более конкретно к микроэлектронным устройствам автоматики, связи и радиотехники. The invention relates to semiconductor technology, and more particularly to microelectronic devices for automation, communication and radio engineering.

Термоэлектрические преобразователи конструктивно представляют собой систему, состоящую из нагревателя и термочувствительного резистивного элемента, назначение которого состоит в передаче электрического сигнала посредством тепловой энергии (тепловой аналог оптрона). Этот прибор широко используется в телефонной связи в автоматических регуляторах усиления (АРУ), а также в термоанемометрах, схемах удвоения частоты, сглаживания пульсаций. Thermoelectric converters are structurally a system consisting of a heater and a thermosensitive resistive element, the purpose of which is to transmit an electrical signal through thermal energy (thermal analog of an optocoupler). This device is widely used in telephone communications in automatic gain controllers (AGC), as well as in hot-wire anemometers, frequency doubling schemes, and pulsation smoothing.

Термоэлектрические преобразователи, выпускаемые под маркой ТКП-. (терморезистор косвенного подогрева, например ТКП-50), представляют собой сборку из двух дискретных элементов проволочного нагревателя и стандартного терморезистора, объединенных теплопередающей диэлектрической средой. Недостатками такой конструкции являются большая инерционность и низкая точность измерения температуры. Кроме того, сборка элементов дает плохо воспроизводимые результаты, не поддается автоматизации, а весь прибор -миниатюризации (Зайцев Ю.В. Полупроводниковые термоэлектрические преобразователи, Р и С, 1985). Thermoelectric converters manufactured under the brand name TKP-. (an indirect heating thermistor, for example, TKP-50), is an assembly of two discrete elements of a wire heater and a standard thermistor, combined by a heat-transmitting dielectric medium. The disadvantages of this design are the large inertia and low accuracy of temperature measurement. In addition, the assembly of elements gives poorly reproducible results, is not amenable to automation, and the entire device is miniaturization (Zaitsev Yu.V. Semiconductor thermoelectric converters, P and S, 1985).

Наиболее близким техническим решением является "интегральный" более правильно монолитный, резистор косвенного подогрева на основе монокристаллического кремния (Марченко А.Н, и др. Кремниевые термоуправляемые резисторы. -Электронная техника, вып.5, с.251-259). The closest technical solution is the "integral" more correctly monolithic, indirect heating resistor based on monocrystalline silicon (Marchenko A.N. et al. Silicon thermally controlled resistors. Electronic Technology, issue 5, pp. 251-259).

Эта конструкция представляет собой брусок кремния, пассивированного тонкой пленкой диоксида (SiO₂) на которую нанесен тонкопленочный резистор нагреватель. Тепло передается кристаллу кремния, в результате чего меняются сопротивление и ток во вторичной цепи. Конструкция обеспечивает хороший тепловой контакт между нагревателем и терморезистором, но обладает следующими недостатками.This design is a bar of silicon passivated by a thin film of dioxide (SiO ₂ ) on which a thin-film resistor heater is applied. Heat is transferred to the silicon crystal, as a result of which the resistance and current in the secondary circuit change. The design provides good thermal contact between the heater and the thermistor, but has the following disadvantages.

Низкая надежность тонкой пленки диэлектрика из-за неизбежной его пористости. Так как площадь изоляции сравнительно велика, то между цепями. неизбежно, образуется паразитная связь. Low reliability of a thin film of a dielectric due to its inevitable porosity. Since the insulation area is relatively large, it is between the chains. inevitably, a spurious connection is formed.

Терморезистором является брусок кремния, который в силу хрупкости этого материала имеет малое отношение длины к поперечным размерам, а следовательно, низкое сопротивление порядка десятков Ом. Точное измерение температуры при низких уровнях сигнала требует дорогостоящей малошумящей схемы обработки, что делает прибор непригодным для массового производства. A thermistor is a bar of silicon, which, due to the fragility of this material, has a small ratio of length to transverse dimensions, and therefore, low resistance of the order of tens of ohms. Accurate temperature measurement at low signal levels requires an expensive low-noise processing circuit, which makes the device unsuitable for mass production.

Целью изобретения является снижение инерционности преобразования электрических сигналов, повышение чувствительности и стабильности, что обеспечивает прибору значительное расширение области применения. The aim of the invention is to reduce the inertia of the conversion of electrical signals, increasing sensitivity and stability, which provides the device with a significant expansion of the scope.

Цель достигается тем, что в термоэлектрическом преобразователе, содержащем нагреватель, монокристаллический кремниевый терморезистор и контактные площадки к ним, нагреватель и терморезистор выполнены из одного и того же материала монокристаллического кремния в виде шин, сформированных в канавках подложки из высокоомного поликремния и изолированных от нее пленкой диоксида кремния, причем на поверхности шины нагревателя дополнительно создан слой силицида переходного металла, со сформированными на этом слое контактными площадками. The goal is achieved in that in a thermoelectric converter containing a heater, a single-crystal silicon thermistor and contact pads for them, a heater and a thermistor are made of the same material of single-crystal silicon in the form of tires formed in the grooves of a substrate of high resistance polysilicon and isolated from it with a dioxide film silicon, moreover, a layer of transition metal silicide is additionally created on the surface of the heater bus with contact pads formed on this layer.

Авторам не известно из научно-технической литературы аналогичное решение формирования нагревателя и терморезистора в единой подложке. Кроме того, нагревательный элемент представляет собой слоистую структуру, также неизвестную авторам из литературы. The authors do not know from the scientific and technical literature a similar solution to the formation of a heater and a thermistor in a single substrate. In addition, the heating element is a layered structure, also unknown to the authors of the literature.

Таким образом, предложенная конструкция соответствует критерию "изобретательский уровень". Thus, the proposed design meets the criterion of "inventive step".

На фиг. 1 изображена структура термопреобразователя; на фиг.2 и 3 - возможные примеры выполнения термопреобразователя. In FIG. 1 shows the structure of a thermal converter; figure 2 and 3 are possible examples of thermal converter.

Преобразователь состоит из терморезистора 1 и нагревателя 2 в виде шин, которые размещены в канавках подложки 4 из высокоомного поликремния. Между шинами нагревателя 2 и терморезистора 1 и подложкой 4 имеется слой 5 диоксида кремния. Поверх шины нагревателя 2 имеется слой 6 силицида переходного металла, например Ni,Cr,Ti,Mo. 3-контактные площадки. The converter consists of a thermistor 1 and a heater 2 in the form of tires, which are placed in the grooves of the substrate 4 from high resistance polysilicon. Between the tires of the heater 2 and the thermistor 1 and the substrate 4 there is a layer 5 of silicon dioxide. On top of the busbar of the heater 2 there is a transition metal silicide layer 6, for example Ni, Cr, Ti, Mo. 3-pin pads.

Для изготовления терморезистора выбирают марку кремния обеспечивающую наибольшую чувствительность собственный кремний с ТКр 3.5% на град. Если же важна линейность R -T характеристики, то используется примесный кремний с удельным сопротивлением около 4 Ом•см, ТКр 0,5% на град. в диапазоне 20-50^oС.For the manufacture of a thermistor, a silicon grade is selected that provides the highest sensitivity for intrinsic silicon with a TCR of 3.5% per deg. If the linearity of the R-T characteristics is important, then impurity silicon with a specific resistance of about 4 Ohm • cm, TCR 0.5% per deg is used. in the range of 20-50 ^o C.

Шина нагревателя 2, наоборот, должна иметь минимальный ТКр, что позволяет пользоваться простой схемой питания. The heater bus 2, on the contrary, should have a minimum TCR, which allows you to use a simple power circuit.

Данное противоречие устранено за счет того, что на поверхность нагревателя 2, сформированного из того же материала, что и терморезистор 1, напыляется один из переходных металлов (Ni, Cr, Ti, Mo), который после отжига образует слой силицида. Имея на порядок меньший ТКр и удельное сопротивление, этот слой 6 в совокупности с кремниевой частью нагревателя 2, выполняет функции нагревателя значительно лучше, чем собственный кремний. Слой силицида 6 формируется вместе с контактными площадками 3 без усложнения технологического процесса. This contradiction is eliminated due to the fact that one of the transition metals (Ni, Cr, Ti, Mo) is sprayed onto the surface of the heater 2, formed from the same material as the thermistor 1, which, after annealing, forms a silicide layer. Having an order of magnitude lower TCR and resistivity, this layer 6, together with the silicon part of the heater 2, performs the functions of a heater much better than its own silicon. A layer of silicide 6 is formed together with the contact pads 3 without complicating the process.

Прибор работает следующим образом (фиг.2 и 3). The device operates as follows (figure 2 and 3).

К контактным площадкам 3 нагревателя 2 подается напряжение 1.6 В, причем мощность его может регулироваться в пределах 100-1000 мкВт, а температура 100-300^oС. Соответственно, температура терморезистора 1 изменяется в пределах 30-250^oС а его сопротивление в пределах 25- 50% (линейно) или в 10.100 раз (экспоненциально) в зависимости от марки кремния.A voltage of 1.6 V is supplied to the contact pads 3 of the heater 2, and its power can be regulated within 100-1000 μW, and the temperature is 100-300 ^o C. Accordingly, the temperature of the thermistor 1 varies between 30-250 ^o C and its resistance within 25 - 50% (linearly) or 10.100 times (exponentially) depending on the grade of silicon.

Монолитная конструкция и интегральная технология обеспечивают значительно более высокую точность приборов, а также их меньшую инерционность, что видно из сравнения с промышленно выпускаемым прототипом (см.таблицу). The monolithic design and integrated technology provide significantly higher accuracy of devices, as well as their lower inertia, which can be seen from a comparison with an industrially produced prototype (see table).

Длительные, в течение двух лет, испытания прибора под нагрузкой показали, что уход сопротивления составил величину менее 1% что объясняется отсутствием в монокристалле процессов старения. Long-term, over two years, tests of the device under load showed that the resistance drop was less than 1%, which is explained by the absence of aging processes in the single crystal.

Таким образом, прибор по сравнению со своим прототипом, обеспечивает малую инерционность. Имеет более высокую чувствительность и стабильность. Thus, the device, in comparison with its prototype, provides low inertia. Has a higher sensitivity and stability.

Claims

A thermoelectric converter comprising a heater, a single-crystal silicon thermistor and contact pads for them, a silicon dioxide layer, characterized in that the heater and the thermistor are made in the form of tires placed in the grooves of the substrate of high resistance polysilicon, while the heater is made of monocrystalline silicon, over which is formed a layer of transition metal silicide.