RU2141649C1 - Integrated thermal cell - Google Patents

Integrated thermal cell Download PDF

Info

Publication number
RU2141649C1
RU2141649C1 RU98102882A RU98102882A RU2141649C1 RU 2141649 C1 RU2141649 C1 RU 2141649C1 RU 98102882 A RU98102882 A RU 98102882A RU 98102882 A RU98102882 A RU 98102882A RU 2141649 C1 RU2141649 C1 RU 2141649C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
layers
layer
silicon layer
sio
silicon
Prior art date
Application number
RU98102882A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
В.А. Березкин
В.К. Дмитриев
Ю.Г. Качуровский
И.Г. Шкуропат
Original Assignee
Березкин Валерий Алексеевич
Дмитриев Виталий Константинович
Качуровский Юрий Григорьевич
Шкуропат Иван Георгиевич
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Березкин Валерий Алексеевич, Дмитриев Виталий Константинович, Качуровский Юрий Григорьевич, Шкуропат Иван Георгиевич filed Critical Березкин Валерий Алексеевич
Priority to RU98102882A priority Critical patent/RU2141649C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2141649C1 publication Critical patent/RU2141649C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)

Abstract

FIELD: heaters for electronic devices. SUBSTANCE: thermal cell used for heating semiconductor integrated-circuit gas lasers, infrared sources of adsorption-type optical gas analyzers, activators of ink-jet printer heads has thin layer of single-crystalline silicon applied to thin-film multilayer insulating diaphragm; naked surface of silicon layer is covered with multilayer insulating film whose layers are identical to those of diaphragm and are arranged in mirror-like manner and symmetrically relative to silicon layer; film is, essentially, combination of SiO2 and Si3N4 insulating layers their thickness ratio being 3.5 -2.7:1.0; SiO2 layer is applied to silicon layer. EFFECT: improved reliability and service life of thermal cell. 2 dwg

Description

Изобретение относится к области микроэлектронных и микромеханических устройств и может быть использовано в качестве нагревателя интегрального полупроводникового газового датчика, инфракрасного излучателя адсорбционного оптического газоанализатора, активатора печатающей головки струйного принтера. The invention relates to the field of microelectronic and micromechanical devices and can be used as a heater of an integrated semiconductor gas sensor, an infrared emitter of an adsorption optical gas analyzer, an activator of the print head of an inkjet printer.

Предшествующий уровень техники
Известен тепловой элемент - инфракрасный излучатель, изготовленный из силицид молибденовой проволоки [1] по технологии дискретных компонентов электроники, что ограничивает область его применения только как эмиттера инфракрасного излучения и обуславливает низкую надежность и долговечность его при использовании в соответствующих системах газового анализа.
State of the art
A known thermal element is an infrared emitter made of molybdenum wire silicide [1] using the technology of discrete components of electronics, which limits the scope of its application only as an emitter of infrared radiation and causes its low reliability and durability when used in appropriate gas analysis systems.

Наиболее близок к настоящему изобретению тепловой элемент газового датчика, выполненный по интегральной технологии микроэлектроники путем нанесения тонкого слоя монокристаллического кремния на многослойную диэлектрическую тонкопленочную мембрану [2]. Этот тонкий слой монокристаллического кремния нагревается пропускаемым через него электрическим током. Closest to the present invention is a thermal element of a gas sensor made by the integrated technology of microelectronics by applying a thin layer of single-crystal silicon on a multilayer dielectric thin-film membrane [2]. This thin layer of single-crystal silicon is heated by an electric current passing through it.

Недостатком данного элемента является то, что нагреваемый током слой кремния защищен от внешнего воздействия окружающей среды только со стороны мембраны, на которой он лежит, другая же поверхность кремния, соприкасаясь с анализируемой газовой средой подвержена влиянию этих сред. Кроме того, асимметрия слоев мембраны и кремния вызывает в силу разности коэффициентов термического расширения слоев (особенно при высоких рабочих температурах и импульсивном режиме работы) механические изгибающие напряжения и деформации, приводящие к быстрой усталости материалов и разрушению теплового элемента. Указанные недостатки снижают надежность и долговечность работы интегрального теплового элемента. The disadvantage of this element is that the current-heated silicon layer is protected from external environmental influences only from the side of the membrane on which it lies, while the other silicon surface, in contact with the analyzed gas medium, is exposed to these media. In addition, the asymmetry of the membrane and silicon layers causes, due to the difference in the coefficients of thermal expansion of the layers (especially at high operating temperatures and impulsive operation), mechanical bending stresses and deformations, which lead to rapid fatigue of materials and destruction of the thermal element. These disadvantages reduce the reliability and durability of the integrated thermal element.

Известен также нагревательный элемент, поверхность которого защищена слоем диэлектрического материала такого же, как и материал основания [3]. Недостатком данной конструкции является то, что однородный однослойный материал защитных пленок с обеих сторон нагревательного элемента сужает технологические возможности при осуществлении селективной гравировки поверхностей, которые необходимы в процессе изготовления. Also known is a heating element, the surface of which is protected by a layer of dielectric material of the same as the base material [3]. The disadvantage of this design is that a homogeneous single-layer material of protective films on both sides of the heating element narrows the technological capabilities in the implementation of selective engraving of surfaces that are necessary in the manufacturing process.

Раскрытие изобретения
Цель изобретения - повышение надежности и долговечности теплового элемента. Цель достигается тем, что на защищенную поверхность кремниевого слоя наносится многослойная диэлектрическая пленка, причем слои этой пленки идентичны слоям мембраны и расположены зеркально симметрично относительно слоя кремния.
Disclosure of Invention
The purpose of the invention is to increase the reliability and durability of the thermal element. The goal is achieved by the fact that a multilayer dielectric film is deposited on the protected surface of the silicon layer, the layers of this film being identical to the membrane layers and arranged mirror symmetrically with respect to the silicon layer.

При таком выполнении нагревающийся кремниевый элемент защищен полностью от воздействия окружающей среды. In this embodiment, the heating silicon element is completely protected from environmental influences.

В качестве пленки используется комбинация слоев диэлектриков SiO2 и Si3N4 с соотношением толщин 3,5-2,7:1,0; причем слой SiO2 прилегает к слою кремния. Такая комбинация позволяет осуществлять селективную гравировку слоев в процессе изготовления нагревателя.As the film, a combination of layers of dielectrics SiO 2 and Si 3 N 4 with a ratio of thicknesses of 3.5-2.7: 1.0; moreover, the SiO 2 layer is adjacent to the silicon layer. This combination allows selective engraving of the layers during the manufacturing process of the heater.

Касательные механические напряжения, возникающие при нагреве и остывании элемента, в силу симметричности предлагаемой структуры теплового элемента реализуются в растягивающие и сжимающие напряжения. А так как прочность всех применяемых материалов на сжатие и на растяжение на 2-3 порядка выше, чем на изгиб, то практически это приводит к соответствующему увеличению надежности работы теплового элемента. Tangential mechanical stresses that occur during heating and cooling of an element, due to the symmetry of the proposed structure of a thermal element, are realized in tensile and compressive stresses. And since the compressive and tensile strength of all materials used is 2-3 orders of magnitude higher than bending, this practically leads to a corresponding increase in the reliability of the thermal element.

Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретных, но не ограничивающих настоящее изобретение вариантов осуществления и прилагаемыми чертежами, на которых:
На фиг. 1 изображен интегральный тепловой элемент.
Brief Description of the Drawings
The invention is further illustrated by the description of specific, but not limiting, embodiments of the invention and the accompanying drawings, in which:
In FIG. 1 shows an integral thermal element.

На фиг. 2 изображен разрез активной части интегрального теплового элемента. In FIG. 2 shows a section through the active part of an integral thermal element.

Интегральный тепловой элемент фиг. 1, содержит резистивный нагревательный элемент - слой кремния 1, находящийся на поверхности мембраны 2, выполненный из нескольких слоев диэлектриков SiO2 и Si3N4, защитную пленку 3, выполненную из аналогичных мембране слоев диэлектриков SiO2 и Si3N4. Мембрана 2 расположена на кремниевой рамке 4, на двух противоположных сторонах которой выполнены контактные площадки и электрические выводы 5 от слоя кремния 1.The integral thermal element of FIG. 1, contains a resistive heating element - a silicon layer 1 located on the surface of the membrane 2, made of several layers of dielectrics SiO 2 and Si 3 N 4 , a protective film 3 made of analogous membrane layers of dielectrics SiO 2 and Si 3 N 4 . The membrane 2 is located on a silicon frame 4, on two opposite sides of which are made contact pads and electrical leads 5 from the silicon layer 1.

На разрезе активной части интегрального теплового элемента, фиг. 2, показано расположение слоев мембраны, кремния и защитной пленки. Слои диэлектриков 6 - Si3N4 и 7 - SiO2 мембраны 2 и защитной пленки 3 идентичны и образуют зеркально симметричную структуру относительно слоя кремния 1. Слои 7 - SiO2 граничат со слоем кремния 1.In the context of the active part of the integral thermal element, FIG. 2, the arrangement of the layers of the membrane, silicon and protective film is shown. The dielectric layers 6 - Si 3 N 4 and 7 - SiO 2 of the membrane 2 and the protective film 3 are identical and form a mirror-symmetric structure with respect to the silicon layer 1. The 7 - SiO 2 layers are adjacent to the silicon layer 1.

Тепловой элемент выполняется стандартными технологическими приемами микроэлектроники. Методом ионного внедрения бора через открытые участки защитной маски формируется функциональный слой кремния. Пиролитическим методом на поверхность кремния осаждаются слои SiO2 и Si3N4, образующие мембрану. Методом глубокого травления кремния с обратной стороны пластины освобождается мембрана и формируется слой кремния - тепловой элемент.The thermal element is performed by standard technological methods of microelectronics. A functional layer of silicon is formed by the method of ion implantation of boron through open areas of the protective mask. By the pyrolytic method, the SiO 2 and Si 3 N 4 layers forming the membrane are deposited on the silicon surface. By deep etching of silicon, the membrane is released from the back of the plate and a silicon layer is formed - a thermal element.

Точно так же изготавливались слои мембраны - плазменным пиролизом осаждаются слои SiO2 и Si3N4 на кремниевую рамку со стороны вытравленного колодца.In the same way, membrane layers were made — SiO 2 and Si 3 N 4 layers are deposited by plasma pyrolysis onto a silicon frame from the side of the etched well.

После чего вскрываются окна в слоях мембраны к слою кремния. Методом напыления формируются электрические выводы и контактные площадки, лежащие на кремниевой рамке. Then open the windows in the membrane layers to the silicon layer. By sputtering, electrical leads and contact pads lying on a silicon frame are formed.

При введении теплового элемента в рабочее состояние на контактные площадки подается от внешнего источника напряжение. Ток, проходящий через слой кремния, нагревает его до нужной температуры в диапазоне 500-900 градусов Цельсия. When a thermal element is brought into operation, voltage is applied to the contact pads from an external source. The current passing through the silicon layer heats it to the desired temperature in the range of 500-900 degrees Celsius.

В зависимости от назначения описываемого теплового элемента либо в качестве нагревателя газо-абсорбционного датчика, либо инфракрасного излучателя абсорбционного оптического газоанализатора, либо активатора струйной или печатающей головки принтера на его поверхность могут наноситься дополнительно слои или газоабсорбционных пленок, или пленок, образующих интерференционные оптические фильтры, или повышающие тепловое излучение, или не наносятся никакие. Depending on the purpose of the described thermal element, either as a heater of a gas absorption sensor, or an infrared emitter of an optical absorption gas analyzer, or an activator of an inkjet or print head of a printer, additional layers of either gas absorption films or films forming interference optical filters can be applied to its surface, or increasing thermal radiation, or not applied any.

Экспериментальный образец был выполнен в форме кристалла кремния размером 3х4х0,6 мм3, слой кремния, образующего нагревательный элемент, имел сопротивление 700 Ом, мембрана и защитный слой имели по 3 слоя соответственно SiO2 и Si3N4, суммарная толщина активной части теплового элемента фиг. 2 составляет 3,7 мкм. Мощность потребления при температуре 700oC составила 210 мВт.The experimental sample was made in the form of a silicon crystal 3x4x4.6 mm 3 in size, the silicon layer forming the heating element had a resistance of 700 Ohms, the membrane and protective layer each had 3 layers of SiO 2 and Si 3 N 4 , respectively, the total thickness of the active part of the thermal element FIG. 2 is 3.7 microns. Power consumption at a temperature of 700 o C amounted to 210 mW.

Предлагаемая конструкция теплового элемента обеспечивает повышение надежности и долговечности его работы, создает условие совместимости технологии его изготовления с технологией изготовления КМОП ИС. The proposed design of the thermal element provides increased reliability and longevity of its work, creates a condition for compatibility of its manufacturing technology with the manufacturing technology of CMOS ICs.

Промышленная применимость
Описываемый интегральный тепловой элемент может использоваться в качестве импульсного источника ближнего инфракрасного излучения в миниатюрных оптических абсорбционных газоанализаторах газов, содержащих COx и углеводороды, имеющих линии сильного поглощения в спектральном диапазоне от 2 до 14 мкм.
Industrial applicability
The described integral thermal element can be used as a pulsed source of near infrared radiation in miniature optical absorption gas analyzers for gases containing CO x and hydrocarbons having strong absorption lines in the spectral range from 2 to 14 μm.

Также указанный интегральный тепловой элемент может использоваться как основа датчика газоанализатора для нанесения на него электропроводящих пленок абсорбирующих интегрально или селективно различные газы и меняющих при этом свое электросопротивление. Разогрев интегрального теплового элемента до высокой температуры позволяет осуществлять десорбцию газа из пленки при ее насыщении. Also, said integral thermal element can be used as the basis of a gas analyzer sensor for depositing electrically conductive films on it that absorb integrally or selectively various gases and change their electrical resistance. Heating an integral thermal element to a high temperature allows gas desorption from the film when it is saturated.

Он также может использоваться в качестве испарителя чернил или другой рабочей жидкости струйной печатающей головки, или нагревателя термопечатающей головки. It can also be used as an ink evaporator or other working fluid for an inkjet printhead, or a heater for a thermal printhead.

Литература
1. Патент Японии N 05296833A, опубликованный 12.11.93
2. С.L. Johnson, К.D. Wise, J.W. Schwauk A Thin - Film Gas Det ecfor For Semiconductor Proctss Gases. Digest Inf. Conf IEDM88, p. 662 - 665.
Literature
1. Japan patent N 05296833A, published 12.11.93
2. C.L. Johnson, K. D. Wise, JW Schwauk A Thin - Film Gas Det ecfor For Semiconductor Proctss Gases. Digest inf. Conf IEDM88, p. 662 - 665.

3. SU 1805372 A1, 30.03.93, G 01 N 27/12. 3. SU 1805372 A1, 03/30/93, G 01 N 27/12.

Claims (1)

Интегральный тепловой элемент, содержащий нагревательный элемент, выполненный из слоя монокристаллического кремния, лежащего на диэлектрической мембране, образованной несколькими слоями пленки диэлектрика, а вторая поверхность нагревательного элемента защищена идентичными слоями диэлектрических пленок, отличающийся тем, что слои диэлектрических пленок повторяют слои мембраны зеркально симметрично относительно слоя кремния, а в качестве пленки используется комбинация слоев диэлектриков SiO2 и Si3N4 с соотношением толщин (3,5 - 2,7) : 1,0, причем слой SiO2 прилегает к слою кремния.An integral thermal element containing a heating element made of a single-crystal silicon layer lying on a dielectric membrane formed by several layers of a dielectric film, and the second surface of the heating element is protected by identical layers of dielectric films, characterized in that the layers of dielectric films repeat the membrane layers mirror symmetrically relative to the layer silicon, and as a film, a combination of layers of dielectrics SiO 2 and Si 3 N 4 is used with a ratio of thicknesses (3.5 - 2.7): 1.0, p In fact, the SiO 2 layer is adjacent to the silicon layer.
RU98102882A 1998-02-18 1998-02-18 Integrated thermal cell RU2141649C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU98102882A RU2141649C1 (en) 1998-02-18 1998-02-18 Integrated thermal cell

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU98102882A RU2141649C1 (en) 1998-02-18 1998-02-18 Integrated thermal cell

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2141649C1 true RU2141649C1 (en) 1999-11-20

Family

ID=20202406

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU98102882A RU2141649C1 (en) 1998-02-18 1998-02-18 Integrated thermal cell

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2141649C1 (en)

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
C.L.Johnson et al. A Thin-Film Gas Detector For Semiconductor Proctss Gases Digest Inf. Conf IEDM 88, p. 662 - 665. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4895344B2 (en) Heating resistance element, thermal head and printer using the same
JP2002174618A (en) Solid electrolyte gas sensor
WO1995010770A1 (en) A catalytic gas sensor
US11169059B2 (en) Chemical substance concentrator and chemical substance detection device
JP4590764B2 (en) Gas sensor and manufacturing method thereof
JP4434749B2 (en) Microstructured gas sensor that controls gas sensing characteristics by applying an electric field
KR20140097714A (en) Mems catalytic type gas sensor using multi-holes membrane embedded micro-heater
KR20000049157A (en) Passivation of ink-jet printheads
US5623147A (en) Radiation-sensitive detector
JP4619876B2 (en) Heating resistance element parts and printer
RU2141649C1 (en) Integrated thermal cell
US8189022B2 (en) Thermal head, thermal printer, and manufacturing method for thermal head
US6259350B1 (en) Sensor and method for manufacturing a sensor
JP2019158358A (en) Sensor element and gas sensor including the same
KR100906496B1 (en) Gas sensor and method for manufacturing the same
JP4895411B2 (en) Heating resistance element, thermal head and printer
KR20010030871A (en) Heating element and method for producing the same
US7185539B2 (en) Flow sensor
KR101519033B1 (en) Micro Electro Mechanical Systems Type Semiconductor Gas Sensor Using Microheater Having Many Holes and Method for Manufacturing the Same
WO2016132935A1 (en) Contact combustion-type gas sensor
JP3083901B2 (en) Atmosphere sensor
JP3459174B2 (en) Temperature sensor element and temperature sensor provided with the same
US20060076343A1 (en) Film heating element having automatic temperature control function
KR100531376B1 (en) Carbon dioxide gas sensor and fabrication method for the same
JP2007101459A (en) Thin film gas sensor and its manufacturing method