RU2170992C2

RU2170992C2 - Microscopic heater

Info

Publication number: RU2170992C2
Application number: RU98117001/28A
Authority: RU
Inventors: В.М. Андреев; Д.В. Зиновьев; К.А. Тузовский
Original assignee: Московский государственный институт электронной техники (технический университет)
Priority date: 1998-09-14
Filing date: 1998-09-14
Publication date: 2001-07-20

Abstract

FIELD: instrumentation engineering; instruments where higher-than- ambient temperature should be maintained. SUBSTANCE: microscopic heater has resistor, current leads, and metal contact pads. Resistor and current leads are made of single-crystalline silicon foil. Microscopic heater is made in the form of variable-section strip whose wide section functions as resistor and narrow one, as current leads wherein low-resistance silicon regions are formed and silicide coating is provided. Current-lead terminating ends are made in the form of pads carrying metal contacts. Heater resistance as function of temperature is of extreme character. EFFECT: reduced smearing, enlarged temperature range. 2 dwg

Description

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, более конкретно - к микроприборам, в которых требуется поддержание заданной, повышенной по сравнению со средой температуре. Может быть использовано для нагрева до рабочей температуры каталитических слоев газоанализаторов, в катарометрах хроматографов, при термостатировании микросхем, кварцевых резонаторов, в расходомерах жидкостей и газов, уровнемерах, вакууммметрах. Конструкция монокристаллического кремниевого терморезистивного сенсора (патент РФ N 2058604, бюллетень изобретений N 11, 1996), изготавливаемого по технологии, близкой к КСДИ (кремниевые структуры с диэлектрической изоляцией), принята в качестве аналога. The invention relates to instrumentation, and more particularly to microdevices in which it is necessary to maintain a predetermined temperature that is increased compared to the medium. It can be used to heat the catalytic layers of gas analyzers to working temperature, in katharometers of chromatographs, during thermostating of microcircuits, quartz resonators, in flowmeters of liquids and gases, level meters, and vacuum gauges. The design of a single-crystal silicon thermoresistive sensor (RF patent N 2058604, Bulletin of inventions N 11, 1996), manufactured by technology close to the DSCI (silicon structures with dielectric insulation), is adopted as an analogue.

Известны микронагреватели на основе металлических сплавов типа нихрома (Зайцев Ю. В. , Громов В.С., Григораш Т.С. Полупроводниковые термоэлектрические преобразователи. Радио и связь, 1985). В данном случае сплав наносится на пластину кремния, пассивированного пленкой SiO₂), далее с помощью фотолитографии производится формирование токопроводящих дорожек микронагревателя и металлизированных контактов к нему. Такая конструкция выбрана нами за ближайший прототип.Known microheaters based on metal alloys of the nichrome type (Zaitsev Yu. V., Gromov VS, Grigorash TS. Semiconductor thermoelectric converters. Radio and communication, 1985). In this case, the alloy is deposited on a silicon plate passivated by a SiO ₂ film), then, using photolithography, conductive tracks of the microheater and metallized contacts to it are formed. This design was chosen by us for the closest prototype.

Недостатки этого нагревателя состоят в следующем. The disadvantages of this heater are as follows.

1. Ограниченная предельная рабочая температура - 200-250^oC. Выше нее тонкопленочный резистор утрачивает стабильность вследствие процессов рекристаллизации, внутреннего окисления, термической усталости, возникающей из-за большой разницы температурных коэффициентов линейного расширения пленки и подложки.1. The limited limiting operating temperature is 200-250 ^o C. Above it, the thin-film resistor loses stability due to the processes of recrystallization, internal oxidation, and thermal fatigue arising from the large difference in the temperature coefficients of the linear expansion of the film and the substrate.

2. Для термостатирования необходим прибор, измеряющий температуру и выдающий сигнал в схему ее регулирования. Однако вмонтировать такой прибор - термопару или терморезистор в микронагреватель сложно, т.к. по размерам он вполне сопоставим с самим нагревателем и с объектом нагрева, поэтому вносит искажения в тепловое поле и в результате измерений. 2. For temperature control, a device is needed that measures the temperature and provides a signal to its control circuit. However, it is difficult to mount such a device - a thermocouple or a thermistor in a microheater, because in size, it is quite comparable with the heater itself and with the heating object; therefore, it introduces distortions in the thermal field and as a result of measurements.

3. Тонкопленочная конструкция нагревателя невозможна без подложки, толщина и масса которой в сотни раз больше чем собственно нагреватель. Это резко увеличивает габариты, инерционность и энергопотребление прибора в целом. 3. The thin-film design of the heater is impossible without a substrate, the thickness and mass of which are hundreds of times greater than the heater itself. This dramatically increases the size, inertia and power consumption of the device as a whole.

4. Неизбежно существующая металлургическая граница токоввод - резистивный слой, нагретая до рабочей температуры, является одним из основных источников нестабильности номинального сопротивления микронагревателя. 4. The inevitably existing metallurgical boundary of the current lead - resistive layer, heated to operating temperature, is one of the main sources of instability of the nominal resistance of the microheater.

5. При низком сопротивлении требуется питание большим током, что в микронагревателе приводит к большим потерям тепла через тоководы, сечение которых должно намного превосходить сечение резистивной шины. Приходится увеличивать мощность, бесполезное рассеяние которой приводит к делокализации нагрева. 5. At low resistance, a large current is required, which in the microheater leads to large heat losses through current leads, the cross section of which should far exceed the cross section of the resistive bus. It is necessary to increase the power, the useless dispersion of which leads to delocalization of heating.

Задачей настоящего изобретения является создание термостатированного микронагревателя на фиксированную температуру в диапазоне 150-350^oC, для поддержания постоянства которой при изменении внешних условий не требуется ее измерения. При этом нагреватель должен обладать минимальными габаритами и тепловой инерционностью, временной стабильностью поддержания фиксированной температуре на уровне ±0,2^oC.The objective of the present invention is to provide a thermostatically controlled microheater at a fixed temperature in the range of 150-350 ^o C, to maintain the constancy of which when changing external conditions do not require measurement. In this case, the heater should have a minimum size and thermal inertia, temporary stability of maintaining a fixed temperature at ± 0.2 ^o C.

Поставленная задача решается тем, что микронагреватель, содержащий резистор, токовводы и металлические контактные площадки, отличается тем, что токовводы выполнены из монокристаллической кремниевой фольги, микронагреватель имеет форму полоски переменного сечения, широкая часть которой является резистором, а узкая токовводами, в которых сформированы области низкоомного кремния и имеется силицидное покрытие, причем окончания токовводов выполняются в виде площадок для формирования на них металлических контактов. Более точно размеры выбираются в зависимости от условий эксплуатации, так, чтобы теплосток через токовводы был пренебрежимо мал. The problem is solved in that the microheater containing a resistor, current leads and metal contact pads, characterized in that the current leads are made of single-crystal silicon foil, the micro heater has the form of a strip of variable cross section, the wide part of which is a resistor, and a narrow current leads, in which areas of low resistance silicon and there is a silicide coating, and the end of the current leads are made in the form of pads for the formation of metal contacts on them. More precisely, the sizes are selected depending on the operating conditions, so that the heat through the current leads is negligible.

Новизна заявляемого изобретения заключается в том, что впервые используется специфическая особенность монокристаллических полупроводников, а именно колоколообразный вид характеристики ρ-Т (удельного сопротивления от температуры) (фиг. 1). Именно это свойство ρ-Т характеристики, не присущее никаким другим резистивным материалам, позволяет термостатировать нагреватель, не прибегая к измерению его температуры, что отличает его от прототипа. Реализовать указанную выше особенность ρ-Т характеристики полупроводникового кремния можно лишь в том случае, если конструкция микронагревателя является самонесущей, т. е. не содержит подложки, а токовводы не служат одновременно теплостоками. В противном случае неизбежна неравномерность нагрева кремния по площади, что ведет к неопределенности термостатируемой температуры. The novelty of the claimed invention lies in the fact that for the first time a specific feature of single-crystal semiconductors is used, namely the bell-shaped type of the ρ-T characteristic (resistivity versus temperature) (Fig. 1). It is this property of the ρ-T characteristic that is not inherent in any other resistive materials that allows the heater to be thermostated without resorting to measuring its temperature, which distinguishes it from the prototype. The aforementioned feature of the ρ-T characteristics of semiconductor silicon can be realized only if the microheater design is self-supporting, that is, does not contain a substrate, and current leads do not serve as heat sinks at the same time. Otherwise, the uneven heating of silicon over the area is inevitable, which leads to an uncertainty in the thermostatically controlled temperature.

На фиг. 1 графически представлена характеристика ρ -Т;
на фиг. 2 - конструкция микронагревателя, где:
1 - резистор;
2 - токовводы;
3 - металлические контактные площадки;
4 - пленка силицида.In FIG. 1 graphically presents the characteristic ρ -T;
in FIG. 2 - micro heater design, where:
1 - resistor;
2 - current leads;
3 - metal pads;
4 - a film of silicide.

В предлагаемой конструкции резистор 1 (см. фиг. 2) свободно подвешивается на двух токовводах 2, выполненных из монокристаллической кремниевой фольги, отделяющих нагреватель от металлических контактных площадок 3. Причем для уменьшения сопротивления выводов и создания омического контакта в токовводах сформированы области низкоомного кремния, которые дополнительно покрываются пленкой силицида 4. In the proposed design, the resistor 1 (see Fig. 2) is freely suspended on two current leads 2 made of single-crystal silicon foil separating the heater from metal contact pads 3. Moreover, to reduce the resistance of the leads and create an ohmic contact in the current leads, low-resistance silicon regions are formed, which additionally coated with a film of silicide 4.

Задача АСУ сводится к поддержанию максимального электрического сопротивления микронагревателя. Основу схемы составляет узел вычисления знака дифференциального сопротивления микронагревателя, который вырабатывает управляющий сигнал для источника питания. При положительном знаке дифференциального сопротивления вырабатывается сигнал, приводящий к уменьшению питающего напряжения, при отрицательном - к увеличению. The task of ACS is to maintain the maximum electrical resistance of the microheater. The basis of the circuit is a node for calculating the sign of the differential resistance of the microheater, which generates a control signal for the power source. With a positive sign of the differential resistance, a signal is generated that leads to a decrease in the supply voltage, with a negative sign - to increase.

Экстремумы ρ-Т кривых соответствуют переходу от примесной электропроводности к собственной и смещаются в область высоких температур по мере увеличения концентрации легирующей примеси "n": кривая 1 - Т_{эксстрем} = 180^oC при n = 1•10¹⁵ см^-3; 2 - 250^oC и 1•10¹⁶ см^-3; 3 - 400^oC и 1•10¹⁷ см^-3. Колоколообразная форма ρ-Т характеристики в кремнии сохраняется до 500^oC (n = 1•10¹⁹ см^-3), что является верхним пределом термостата. Нижний предел температуры нагревателя определяется только степенью чистоты исходного кремния и процесса изготовления.The extrema of the ρ-T curves correspond to the transition from impurity to intrinsic conductivity and shift to the high temperature region with increasing dopant concentration "n": curve 1 - T _extrem = 180 ^o C at n = 1 • 10 ¹⁵ cm ^-3 ; 2 - 250 ^o C and 1 • 10 ¹⁶ cm ^-3 ; 3 - 400 ^o C and 1 • 10 ¹⁷ cm ^-3 . The bell-shaped form of the ρ-T characteristic in silicon is maintained up to 500 ^o C (n = 1 • 10 ¹⁹ cm ^-3 ), which is the upper limit of the thermostat. The lower limit of the temperature of the heater is determined only by the degree of purity of the initial silicon and the manufacturing process.

Следует отметить, что термостатируемый объект может иметь и T<T_{нагреват.} в зависимости от размеров нагревателя и интенсивности передачи тепла от него к объекту нагрева.It should be noted that the thermostatically controlled object may have T <T _heated. depending on the size of the heater and the intensity of heat transfer from it to the heating object.

Устройство может применяться в двух вариантах. The device can be used in two versions.

1. Нагреватель - термостат. Используется свойство микронагревателя точно поддерживать заданную температуру при изменении внешних условий, т.е. обеспечивать термостатирование объекта при условии, что его температура будет превышать температуру окружающей среды. Точность поддержания температуры ± 0,2^oC, мощность от 1 мВт и выше.1. The heater is a thermostat. The property of the microheater is used to precisely maintain the given temperature when changing external conditions, i.e. provide temperature control of the object, provided that its temperature will exceed the ambient temperature. The accuracy of maintaining the temperature of ± 0.2 ^o C, power from 1 mW and above.

2. Нагреватель - измерительный прибор. Используется зависимость мощности, необходимой для питания термостатированного нагревателя при, изменении внешних условий - состава среды, скорости обтекания, давления. 2. Heater is a measuring device. The dependence of the power required to power the thermostatically controlled heater is used when changing external conditions - the composition of the medium, flow rate, pressure.

Claims

A microheater containing a resistor, current leads and metal contact pads, characterized in that the resistor and current leads are made of monocrystalline silicon foil, the microheater having the form of a strip of variable cross section, the wide part of which is a resistor, and the narrow one is current leads in which areas of low resistance silicon and there is a silicide coating, and the ends of the current leads are made in the form of pads with metal contacts formed on them.