RU215318U1 - Thermal gas flow sensor of calorimetric type - Google Patents

Thermal gas flow sensor of calorimetric type Download PDF

Info

Publication number
RU215318U1
RU215318U1 RU2022126977U RU2022126977U RU215318U1 RU 215318 U1 RU215318 U1 RU 215318U1 RU 2022126977 U RU2022126977 U RU 2022126977U RU 2022126977 U RU2022126977 U RU 2022126977U RU 215318 U1 RU215318 U1 RU 215318U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
temperature
sensitive elements
membrane
gas flow
sensitive
Prior art date
Application number
RU2022126977U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Николай Алексеевич Дюжев
Владимир Тимофеевич Рябов
Илья Дмитриевич Евсиков
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники"
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники"
Application granted granted Critical
Publication of RU215318U1 publication Critical patent/RU215318U1/en

Links

Images

Abstract

Полезная модель относится к измерительной технике - области микроэлектронных и микроэлектромеханических (МЭМС) устройств, а именно к тепловым датчикам расхода газов. Тепловой датчик расхода газов калориметрического типа содержит чувствительный элемент, который представляет собой тонкую диэлектрическую мембрану над отверстием в кремниевом кристалле с термочувствительными элементами на мембране. Суть полезной модели состоит в повышении чувствительности и расширении диапазона измеряемых скоростей потока теплового датчика расхода газов за счет размещения на мембране датчика четырех термочувствительных элементов, которые одновременно выполняют функции нагревателей и датчиков температуры. Термочувствительные элементы размещаются по два в двух группах, причем в каждой группе термочувствительные элементы размещены в непосредственной близости друг к другу для обеспечения более качественного теплового контакта, а группы термочувствительных элементов разнесены между собой для минимизации теплообмена через мембрану и преобладания теплообмена через газ. Полезная модель создана в рамках реализации программы ЛИЦ «Доверенные сенсорные системы» и может быть использована для преодоления технологических барьеров в соответствии с дорожной картой сквозной цифровой технологии «компоненты робототехники и сенсорика». 2 ил.

Figure 00000001
The utility model relates to measuring technology - the field of microelectronic and microelectromechanical (MEMS) devices, namely to thermal gas flow sensors. The thermal gas flow sensor of the calorimetric type contains a sensitive element, which is a thin dielectric membrane over a hole in a silicon crystal with temperature-sensitive elements on the membrane. The essence of the utility model is to increase the sensitivity and expand the range of measured flow rates of a thermal gas flow sensor by placing four temperature-sensitive elements on the sensor membrane, which simultaneously perform the functions of heaters and temperature sensors. The temperature-sensitive elements are placed two in two groups, and in each group the temperature-sensitive elements are placed in close proximity to each other to provide better thermal contact, and the groups of temperature-sensitive elements are spaced apart to minimize heat transfer through the membrane and the predominance of heat transfer through the gas. The utility model was created as part of the implementation of the LIC "Trusted Sensory Systems" program and can be used to overcome technological barriers in accordance with the roadmap of end-to-end digital technology "robotics and sensors components". 2 ill.
Figure 00000001

Description

Полезная модель относится к измерительной технике - области микроэлектронных и микроэлектромеханических (МЭМС) устройств, а именно к тепловым датчикам расхода газов.The utility model relates to measuring technology - the field of microelectronic and microelectromechanical (MEMS) devices, namely to thermal gas flow sensors.

Известна реализация датчика расхода газов с кремниевой подложкой и углублением в ней /1/. Над углублением нависает кремниевая мембрана, на которой расположены тонкопленочные нагреватель и терморезисторы. В кремниевой мембране проделаны отверстия для уменьшения ее теплопроводности, чтобы минимизировать теплоотвод от нагревателя и термочувствительных элементов для повышения чувствительности датчика. На подложке датчика вне мембраны располагается термочувствительный резистор температурной коррекции. Недостатком такого датчика является использование нагревателя, увеличивающего энергопотребление датчика, а также использование кремния в качестве материала мембраны, что не позволяет максимально уменьшить теплопроводность мембраны (150 Вт/м⋅K против 1,4 Вт/м⋅K у оксида кремния).Known implementation of the gas flow sensor with a silicon substrate and a recess in it /1/. A silicon membrane hangs over the recess, on which a thin-film heater and thermistors are located. The silicon membrane is perforated to reduce its thermal conductivity to minimize heat dissipation from the heater and temperature sensing elements to increase sensor sensitivity. A temperature-sensitive temperature correction resistor is located on the sensor substrate outside the membrane. The disadvantage of such a sensor is the use of a heater, which increases the energy consumption of the sensor, as well as the use of silicon as a membrane material, which does not allow the membrane thermal conductivity to be reduced as much as possible (150 W/m⋅K versus 1.4 W/m⋅K for silicon oxide).

Известная реализация датчика расхода газов, в котором минимизируется турбулентность омывающего потока газа на основе кремния /2/. Датчик изготовлен на полупроводниковой подложке и включает в себя диэлектрическую мембрану, тонкопленочный нагреватель и термочувствительные элементы. Термочувствительные элементы сформированы в пары и расположены до и после потока газа. Нагреватель и, по крайней мере, один чувствительный элемент расположен на плоской диэлектрической диафрагме. Она сформирована из трех чередующихся слоев оксида и нитрида кремния в виде многослойной структуры и обеспечивает теплоизоляцию для чувствительного и нагревательного элементов датчика. Кроме того, один терморезистор расположен на полупроводниковом корпусе и способен измерять его температуру. Чувствительные терморезисторы закрываются верхними слоями оксида и нитрида кремния, которые защищают чувствительные терморезисторы от воздействия внешней среды, а также компенсируют механические напряжения диэлектрической мембраны датчика после проведения техпроцесса изготовления всей структуры. Недостатком датчика является необходимость использования отдельного элемента-нагревателя, что уменьшает энергоэффективность датчика, а также ограничение тока, который подается на чувствительные терморезисторы по причине саморазогрева этих элементов. Это требует больших коэффициентов усиления элементов в схеме обработки сигнала датчика и приводит к дополнительным шумам и помехам.Known implementation of the gas flow sensor, which minimizes the turbulence of the surrounding gas flow based on silicon /2/. The sensor is made on a semiconductor substrate and includes a dielectric membrane, a thin-film heater, and temperature-sensitive elements. The temperature sensitive elements are formed in pairs and are located before and after the gas flow. The heater and at least one sensitive element are located on a flat dielectric diaphragm. It is formed from three alternating layers of silicon oxide and silicon nitride in a multilayer structure and provides thermal insulation for the sensing and heating elements of the sensor. In addition, one thermistor is located on the semiconductor package and is able to measure its temperature. Sensitive thermistors are covered with top layers of silicon oxide and nitride, which protect the sensitive thermistors from environmental influences, and also compensate for the mechanical stresses of the sensor's dielectric membrane after the manufacturing process of the entire structure. The disadvantage of the sensor is the need to use a separate heater element, which reduces the energy efficiency of the sensor, as well as limiting the current supplied to sensitive thermistors due to self-heating of these elements. This requires large gains of the elements in the signal processing circuit of the sensor and leads to additional noise and interference.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому, является датчик расхода газов на мембране в кремниевом кристалле, задействующий две группы термочувствительных элементов без применения отдельного элемента-нагревателя /3/. Термочувствительные элементы в датчике потока газов выполняют функцию как нагревателей, так и сенсоров потока, и устанавливаются на диэлектрическую мембрану в кремниевом кристалле. Термочувствительный элемент температурной коррекции помещен на сам кремниевый кристалл датчика. Недостатком такой реализации датчика потока газов является размещение термочувствительных элементов на большом расстоянии друг от друга. Данная особенность может негативно влиять на обеспечение теплового контакта элементов, что будет снижать точность измерений датчика.The closest technical solution to the proposed one is a gas flow sensor on a membrane in a silicon crystal, which uses two groups of temperature-sensitive elements without the use of a separate heater element /3/. The temperature sensitive elements in the gas flow sensor function as both heaters and flow sensors and are mounted on a dielectric membrane in a silicon crystal. The temperature-sensitive temperature correction element is placed on the silicon crystal of the sensor itself. The disadvantage of this implementation of the gas flow sensor is the placement of temperature-sensitive elements at a great distance from each other. This feature can adversely affect the provision of thermal contact of the elements, which will reduce the accuracy of the sensor measurements.

Задачей настоящей полезной модели является повышение точности и расширение диапазона измерения скорости потока газов.The objective of this utility model is to improve the accuracy and expand the range of measurement of the gas flow rate.

Это достигается за счет того, что в предлагаемом датчике термочувствительный элемент температурной коррекции размещается на кристалле, а на мембране датчика размещается четыре термочувствительных элемента, служащие одновременно нагревателями и датчиками температуры и размещаемые по два в двух группах по потоку измеряемого газа, причем в каждой группе термочувствительные элементы размещаются тесно друг к другу для обеспечения хорошего теплового контакта, а группы разносятся между собой для минимизации теплообмена через мембрану и преобладания теплообмена через газ, причем термочувствительные элементы образуют измерительный мост Уитстона, в плечах которого размещаются термочувствительные элементы из разных групп.This is achieved due to the fact that in the proposed sensor a temperature-sensitive element of temperature correction is placed on a crystal, and four temperature-sensitive elements are placed on the sensor membrane, which simultaneously serve as heaters and temperature sensors and are placed two in two groups along the flow of the measured gas, and in each group there are temperature-sensitive the elements are placed closely to each other to ensure good thermal contact, and the groups are spaced apart to minimize heat transfer through the membrane and the predominance of heat transfer through the gas, and the temperature-sensitive elements form a Wheatstone measuring bridge, in the arms of which temperature-sensitive elements from different groups are placed.

На фиг. 1 показано изображение теплового датчика расхода газов калориметрического типа;In FIG. 1 shows an image of a thermal gas flow sensor of the calorimetric type;

на фиг. 2 приводится изображение мембраны датчика с размещенными на ней группами термочувствительных элементов. in fig. 2 shows an image of the sensor membrane with groups of temperature-sensitive elements placed on it.

Цифрами на рисунках обозначеныThe numbers in the figures indicate

1 - кристалл датчика расхода газов;1 - gas flow sensor crystal;

2 - многослойная диэлектрическая мембрана датчика расхода газов;2 - multilayer dielectric membrane of the gas flow sensor;

3 - термочувствительные элементы входной по потоку группы;3 - temperature-sensitive elements of the group input along the flow;

4 - термочувствительные элементы выходной по потоку группы;4 - temperature-sensitive elements of the output group;

5 - термочувствительный элемент температурной коррекции.5 - temperature-sensitive element of temperature correction.

Кристалл датчика расхода газов 1 изготавливается из кремния. На кристалле датчика располагается тонкая диэлектрическая мембрана 2 с минимальной теплопроводностью, которая может состоять из нескольких чередующихся слоев оксида и нитрида кремния. Число слоев не должно быть очень большим во избежание сильного провисания под своим весом, но обеспечивать при этом достаточную прочность мембраны. Термочувствительные «входные» и «выходные» резисторы 3 и 4 объединенные в термомост, формируются на диэлектрической мембране датчика и могут изготавливаться из таких материалов как платина, пермаллой и т.д. Терморезистор температурной коррекции 5 размещается на кремниевом кристалле датчика.The gas flow sensor crystal 1 is made of silicon. On the sensor crystal there is a thin dielectric membrane 2 with minimal thermal conductivity, which can consist of several alternating layers of oxide and silicon nitride. The number of layers should not be very large in order to avoid strong sagging under its own weight, but at the same time ensure sufficient membrane strength. Temperature-sensitive "input" and "output" resistors 3 and 4 combined into a thermal bridge are formed on the dielectric membrane of the sensor and can be made of materials such as platinum, permalloy, etc. The temperature correction thermistor 5 is placed on the silicon chip of the sensor.

Датчик расхода газов калориметрического типа работает следующим образом.Calorimetric type gas flow sensor operates as follows.

При протекании потока газа через термочувствительные элементы 3 и 4, расположенные на мембране 2, тепловое облако, создаваемое термочувствительными элементами, смещается относительно центра мембраны, что вызывает изменение их температуры, а, следовательно, и сопротивления. В термомосте датчика потока возникает сигнал разбаланса, который затем должен быть передан на схему обработки сигналов. Термочувствительный резистор 5 на кристалле датчика вводится для корректировки температурной погрешности калориметрического способа измерения сигнала, получаемого с термочувствительных элементов, в схеме обработки сигналов. Использование четырех терморезисторов позволяет снизить требования к усилению сигнала разности температур при использовании калориметрического способа измерения скорости массового расхода газа. Поскольку ток в терморезисторах нагревателях достаточно высок и составляет единицы миллиампер, то сигнал о температуре терморезистора достаточно велик и не потребует значительного усиления для получения нормированного значения в несколько вольт.When a gas flow flows through the temperature-sensitive elements 3 and 4 located on the membrane 2, the thermal cloud created by the temperature-sensitive elements is displaced relative to the center of the membrane, which causes a change in their temperature, and, consequently, the resistance. An unbalance signal occurs in the thermal bridge of the flow sensor, which then must be transmitted to the signal processing circuit. The temperature-sensitive resistor 5 on the sensor chip is introduced to correct the temperature error of the calorimetric method for measuring the signal received from the temperature-sensitive elements in the signal processing circuit. The use of four thermistors makes it possible to reduce the requirements for amplifying the temperature difference signal when using the calorimetric method for measuring the gas mass flow rate. Since the current in the thermistors of the heaters is quite high and amounts to a few milliamps, the signal about the temperature of the thermistor is large enough and does not require significant amplification to obtain a normalized value of several volts.

Примером конкретного исполнения может служить тепловой датчик расхода газов калориметрического типа, изготавливаемый на подложке кремния КЭФ 4,5 Ом⋅см с диаметром 150 мм и ориентацией (100). Размеры кристалла датчика расхода газов - 3×4 мм. Мембрана датчика толщиной 1,26 мкм состоит из четырех чередующихся слоев оксида и нитрида кремния - SiO2 (600 нм)/Si3N4 (130 нм)/SiO2 (400 нм)/Si3N4 (130 нм). Мембрана датчика имеет размеры - 500×750 мкм2. Термочувствительные элементы мембраны выполнены из платины с толщиной 200 нм, ширина линии термочувствительного элемента - 5 мкм, длина термочувствительного элемента - 440 мкм. Роль проводящих контактов выполняет слой алюминия толщиной 200 нм. Для оценки требуемого усиления для сигнала с измерительного моста Уитстона примем, что при токе на диагонали в 2 мА, перепаде температуры между нагревателями в 15°С, сопротивлении отдельного термочувствительного элемента 600 Ом и включении четырех терморезисторов с температурными коэффициентами сопротивления а около 0,003°С-1 в полный измерительный термомост Уитстона, сигнал на диагонали термомоста будет составлять 0,108 мВ, т.е. до уровня напряжения в 5 В достаточно будет усилить сигнал всего в 46 раз. Учитывая также то, что в каждой группе термочувствительные элементы размещены в непосредственной близости друг к другу для обеспечения более качественного теплового контакта, а группы разнесены между собой для минимизации теплообмена через мембрану и преобладания теплообмена через газ, можно сделать вывод о том, что предлагаемый тепловой датчик расхода газов будет обладать повышенными характеристиками точности и диапазона измерений по сравнению с упомянутым прототипом.An example of a specific design is a calorimetric type thermal gas flow sensor manufactured on a KEF 4.5 Ohm⋅cm silicon substrate with a diameter of 150 mm and orientation (100). The dimensions of the gas flow sensor crystal are 3×4 mm. The 1.26 µm thick sensor membrane consists of four alternating layers of oxide and silicon nitride - SiO 2 (600 nm)/Si 3 N 4 (130 nm)/SiO 2 (400 nm)/Si 3 N 4 (130 nm). The sensor membrane has dimensions - 500×750 µm 2 . The temperature-sensitive elements of the membrane are made of platinum with a thickness of 200 nm, the line width of the temperature-sensitive element is 5 µm, the length of the temperature-sensitive element is 440 µm. The role of conducting contacts is performed by an aluminum layer 200 nm thick. To estimate the required amplification for the signal from the Wheatstone measuring bridge, we assume that with a diagonal current of 2 mA, a temperature difference between the heaters of 15 ° C, a resistance of a separate temperature-sensitive element of 600 Ohm and the inclusion of four thermistors with temperature coefficients of resistance a of about 0.003 ° C - 1 into a full measuring Wheatstone thermal bridge, the signal on the diagonal of the thermal bridge will be 0.108 mV, i.e. up to a voltage level of 5 V, it will be enough to amplify the signal by only 46 times. Also taking into account the fact that in each group the temperature-sensitive elements are placed in close proximity to each other to ensure better thermal contact, and the groups are spaced apart to minimize heat transfer through the membrane and the predominance of heat transfer through the gas, it can be concluded that the proposed thermal sensor gas flow rate will have improved accuracy and measurement range in comparison with the mentioned prototype.

Источники информацииSources of information

1. Патент Японии JP4505842 B2.1. Japan Patent JP4505842 B2.

2. Международный патент WO 2020255788.2. International patent WO 2020255788.

3. Патент США US20050006235 A1 - прототип.3. US patent US20050006235 A1 - prototype.

Claims (1)

Тепловой датчик расхода газов калориметрического типа, содержащий чувствительный элемент, который представляет собой тонкую диэлектрическую мембрану в кремниевом кристалле с термочувствительными элементами на мембране, отличающийся тем, что термочувствительный элемент температурной коррекции размещен на кристалле, а на мембране датчика размещены четыре термочувствительных элемента, служащие одновременно нагревателями и датчиками температуры и размещенные по два в двух группах по потоку измеряемого газа, причем в каждой группе термочувствительные элементы размещены в непосредственной близости друг к другу для обеспечения более качественного теплового контакта, а группы термочувствительных элементов разнесены между собой для минимизации теплообмена через мембрану и преобладания теплообмена через газ, причем термочувствительные элементы образуют измерительный мост Уитстона, в плечах которого размещаются термочувствительные элементы из разных групп.Thermal gas flow sensor of the calorimetric type, containing a sensitive element, which is a thin dielectric membrane in a silicon crystal with temperature-sensitive elements on the membrane, characterized in that the temperature-sensitive temperature correction element is located on the crystal, and four temperature-sensitive elements are placed on the sensor membrane, which simultaneously serve as heaters and temperature sensors and placed two by two in two groups along the flow of the measured gas, and in each group the temperature-sensitive elements are placed in close proximity to each other to ensure better thermal contact, and the groups of temperature-sensitive elements are spaced apart to minimize heat transfer through the membrane and the predominance of heat transfer through the gas, and the temperature-sensitive elements form a Wheatstone measuring bridge, in the shoulders of which temperature-sensitive elements from different groups are placed.
RU2022126977U 2022-10-18 Thermal gas flow sensor of calorimetric type RU215318U1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU215318U1 true RU215318U1 (en) 2022-12-08

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050006235A1 (en) * 2003-07-04 2005-01-13 Matthias Fuertsch Sensor element
JP4505842B2 (en) * 2006-03-15 2010-07-21 株式会社山武 Thermal conductivity measuring method and apparatus, and gas component ratio measuring apparatus
RU177514U1 (en) * 2017-12-20 2018-02-28 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" THERMOANEMOMETRIC FLOW AND GAS FLOW SENSOR
WO2020255788A1 (en) * 2019-06-17 2020-12-24 日立オートモティブシステムズ株式会社 Thermal sensor device

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050006235A1 (en) * 2003-07-04 2005-01-13 Matthias Fuertsch Sensor element
JP4505842B2 (en) * 2006-03-15 2010-07-21 株式会社山武 Thermal conductivity measuring method and apparatus, and gas component ratio measuring apparatus
RU177514U1 (en) * 2017-12-20 2018-02-28 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" THERMOANEMOMETRIC FLOW AND GAS FLOW SENSOR
WO2020255788A1 (en) * 2019-06-17 2020-12-24 日立オートモティブシステムズ株式会社 Thermal sensor device

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Dong et al. Fabrication of a micromachined two-dimensional wind sensor by Au–Au wafer bonding technology
JP3945385B2 (en) Flow sensor and flow measurement method
JP3175887B2 (en) measuring device
EP2280251B1 (en) Thermal flow meter
US6629456B2 (en) Thermal flowmeter for detecting rate and direction of fluid flow
US6354736B1 (en) Wide temperature range RTD
JP4976469B2 (en) Thermal humidity sensor
EP0395721A1 (en) Control and detection circuitry for mass airflow sensors.
JP4157034B2 (en) Thermal flow meter
JPH0989619A (en) Heat-sensitive flowmeter
Baker Temperature sensing technologies
JPS61217749A (en) Device for measuring thermal conductivity of gas
CN110864736B (en) Flexible sensor strain and temperature compensation method and multi-sensing integrated sensor
Wang et al. A 2D wind sensor using the $\Delta $ P thermal feedback control
US6508117B1 (en) Thermally balanced mass air flow sensor
JP2842729B2 (en) Thermal flow sensor
CN112384775A (en) Thermometer with diagnostic function
RU215318U1 (en) Thermal gas flow sensor of calorimetric type
CN106662477B (en) Sensing device
JP2002296121A (en) Temperature measuring device
JPH08146026A (en) Thermistor flow velocity sensor and flow rate sensor for liquid
JPH09318412A (en) Thermal flow velocity sensor
JP3454265B2 (en) Thermal flow sensor
Ye et al. DRIE trenches and full-bridges design for sensitivity improvement of MEMS silicon thermal wind sensor
JP4037723B2 (en) Thermal flow meter