RU2242728C2 - Heat flux sensor - Google Patents
Heat flux sensorInfo
- Publication number
- RU2242728C2 RU2242728C2 RU2003100693/28A RU2003100693A RU2242728C2 RU 2242728 C2 RU2242728 C2 RU 2242728C2 RU 2003100693/28 A RU2003100693/28 A RU 2003100693/28A RU 2003100693 A RU2003100693 A RU 2003100693A RU 2242728 C2 RU2242728 C2 RU 2242728C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- thermocouples
- silicon
- membrane
- sensor
- heat flux
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к области микроэлектроники и оптоэлектроники, в частности к конструкции датчика теплового потока и может быть использовано для измерения процессов теплообмена внутри структуры, для контроля температуры внутри теплостатированных объемов; температурного контроля в зданиях для сохранения используемой энергии; для проверки эффективности тепловой изоляции; для изучения и тестирования проблем излучения и конвекции (тепломассопереноса) в теплообменных системах; для изучения телообмена в аэродинамических трубах.The invention relates to the field of microelectronics and optoelectronics, in particular to the design of the heat flux sensor and can be used to measure heat transfer processes within the structure, to control the temperature inside thermostatically controlled volumes; temperature control in buildings to conserve energy used; to check the effectiveness of thermal insulation; to study and test the problems of radiation and convection (heat and mass transfer) in heat transfer systems; to study body exchange in wind tunnels.
Известны конструкции датчиков теплового потока термоэлектрического типа, изготовленных на основе батареи термопар. Основным элементом термопары является спай между двумя разнородными материалами. В основу измерения температур с помощью термопары положен эффект Зеебека.Known designs of heat flux sensors of the thermoelectric type, made on the basis of a thermocouple battery. The main element of a thermocouple is a junction between two dissimilar materials. The temperature measurement using a thermocouple is based on the Seebeck effect.
где ΔЕ -величина термоЭДС, В; αT -коэффициент термоЭДС, В/К; ΔТ=Т2-T1 - разность температур горячего и холодного спаев, К. Таким образом, измерение температуры термопарой сводится к измерению термоЭДС, которую термопара развивает при строго фиксированной температуре одного из спаев [1].where ΔE is the value of thermopower, V; α T is the coefficient of thermoEMF, V / K; ΔТ = Т 2 -T 1 is the temperature difference between hot and cold junctions, K. Thus, measuring the temperature with a thermocouple reduces to measuring the thermopower, which the thermocouple develops at a strictly fixed temperature of one of the junctions [1].
В качестве термоэлектрической пары выбирают комбинацию материалов, создающую достаточно высокую термоЭДС (разница коэффициентов термоЭДС материалов должна быть как можно больше) и пригодных для данного интервала рабочих температур. Для увеличения чувствительности используют последовательное включение нескольких термопар. Также увеличения чувствительности можно добиться при использовании в качестве термоэлектрической пары материалов с высоким коэффициентом термоЭДС. Такими материалами, как известно, являются полупроводники.As a thermoelectric pair, a combination of materials is selected that creates a sufficiently high thermoEMF (the difference in the coefficients of thermoEMF of materials should be as large as possible) and suitable for a given operating temperature range. To increase the sensitivity, the series connection of several thermocouples is used. Also, an increase in sensitivity can be achieved by using materials with a high thermoelectric coefficient as a thermoelectric pair. Such materials are known to be semiconductors.
Достоинством полупроводниковых термоэлектрических датчиков является простота изготовления и отсутствие источника питания, линейный выходной сигнал, в большинстве случаев не требующий усиления даже при небольшой разнице температур спаев благодаря большой величине коэффициента термоЭДС у полупроводниковых материалов. Падающий поток поглощается воспринимающей, зачерненной площадкой. При динамическом режиме работы теплового сенсора термостабилизация отсутствует. В статическом режиме термостабилизация осуществляется за счет принудительного охлаждения.The advantage of semiconductor thermoelectric sensors is the simplicity of manufacture and the absence of a power source, a linear output signal, which in most cases does not require amplification even with a small difference in the temperature of the junctions due to the large value of the thermoelectric coefficient of semiconductor materials. The falling stream is absorbed by the perceiving, blackened platform. In the dynamic mode of operation of the thermal sensor, thermal stabilization is absent. In static mode, thermal stabilization is carried out due to forced cooling.
Известна конструкция датчика теплового потока, в которой в качестве термоэлектрической пары используется контакт полупроводник - металл, например кремний-аллюминий [2]. Холодные концы этой батареи находятся на теплоотводящем основании, имеющим постоянную температуру (термостат), а нагреваемые концы располагаются в области падающего теплового потока.A known design of a heat flux sensor, in which a semiconductor-metal contact is used as a thermoelectric pair, for example, silicon-aluminum [2]. The cold ends of this battery are located on a heat sink with a constant temperature (thermostat), and the heated ends are located in the region of the incident heat flux.
Чувствительный элемент датчика представляет собой кремниевую структуру, состоящую из подложки n-типа проводимости, в которой сформирована путем диффузии система из дорожек р-типа проводимости. Эти кремниевые дорожки путем металлизации алюминием соединены последовательно по выходному сигналу, а р-n переход используется для изоляции дорожек дырочного типа от несущей основы.The sensor sensitive element is a silicon structure consisting of an n-type conductivity substrate in which a system of p-type conductivity paths is formed by diffusion. These silicon tracks by metallization with aluminum are connected in series by the output signal, and the pn junction is used to isolate hole-type tracks from the carrier base.
Чувствительность этих приборов порядка 15-20 мВм2/кВт, а быстродействие порядка 5·10-3 с.The sensitivity of these devices is about 15-20 mVm 2 / kW, and the response time is about 5 · 10 -3 s.
Недостатком указанных сенсоров теплового потока является низкая чувствительность, обусловленная:The disadvantage of these heat flow sensors is the low sensitivity due to:
-высокой концентрацией дырок в диффузионных слоях;-high concentration of holes in diffusion layers;
-значительным теплообменом, обусловленным толстой подложкой (350-500 мкм), и ее высокой удельной теплопроводностью, который приводит к низкому тепловому сопротивлению указанной структуры и снижению измеряемой разности температур.- significant heat transfer due to the thick substrate (350-500 microns), and its high specific thermal conductivity, which leads to low thermal resistance of this structure and a decrease in the measured temperature difference.
Основным методом снижения теплообмена является уменьшение теплового потока вдоль подложки от нагреваемого зачерненного пятна к периферии (контактам) за счет уменьшения толщины подложки, на которой сформирована система термопар.The main method of reducing heat transfer is to reduce the heat flux along the substrate from the heated blackened spot to the periphery (contacts) by reducing the thickness of the substrate on which the thermocouple system is formed.
Известна конструкция датчика теплового потока, главной особенностью которого является использование в качестве несущей основы мембраны, что обеспечивает больший перепад температуры, а, следовательно, и больший выходной сигнал [3].A known design of the heat flux sensor, the main feature of which is the use of a membrane as a carrier base, which provides a greater temperature drop, and, consequently, a larger output signal [3].
Устройство [3] представляет собой мембрану 3,5 мм х3,5 мм, холодные и горячие спаи располагаются на толстой и тонкой части мембраны соответственно.The device [3] is a 3.5 mm x 3.5 mm membrane, cold and hot junctions are located on the thick and thin parts of the membrane, respectively.
Недостатком конструкции является:The disadvantage of the design is:
- сложность технологии получения мембран одинаковой толщины по всему полю (от 30 до 40 мкм)- the complexity of the technology for producing membranes of the same thickness throughout the field (from 30 to 40 microns)
- высокая теплопроводностью кремния,- high thermal conductivity of silicon,
- необходимость формировать кремниевые элементы р-типа в подложке n-типа методами ионной имплантации или диффузии до р=1018 см-2. При этом коэффициент термоЭДС в кремнии уменьшается почти на порядок.- the need to form p-type silicon elements in an n-type substrate by ion implantation or diffusion methods up to p = 10 18 cm -2 . In this case, the coefficient of thermoEMF in silicon decreases by almost an order of magnitude.
- увеличение токов утечки и собственный разогрев термоэлементов.- increase in leakage currents and own heating of thermocouples.
Для повышения чувствительности датчиков теплового потока в качестве мембран желательно использовать диэлектрические слои, обладающие меньшей теплопроводностью и хорошей диэлектрической изоляцией.To increase the sensitivity of the heat flux sensors, it is desirable to use dielectric layers having less thermal conductivity and good dielectric insulation as membranes.
Известна конструкция датчика теплового потока [4], выбранного в качестве прототипа, содержащая кремниевую подложку, на которой последовательно располагаются мембрана из аморфного слоя оксида (или нитрида) кремния и поликремний-алюминиевые (или золотые) термопары, соединенные параллельно термически и последовательно электрически. Горячие спаи термопар расположены в центре тонкой оксидно/нитридной мембраны, а холодные вокруг кремниевого кольца жесткости [4].The known design of the heat flux sensor [4], selected as a prototype, containing a silicon substrate on which a membrane of an amorphous layer of silicon oxide (or nitride) silicon and polysilicon-aluminum (or gold) thermocouples are connected in parallel thermally and in series electrically. Hot junctions of thermocouples are located in the center of a thin oxide / nitride membrane, and cold ones around a silicon ring of rigidity [4].
С нижней стороны подложки кремний вытравливается до оксидной пленки. Слой поликремния легируется до концентрации 1018 см-3, после чего в нем вытравливаются меза-структуры и методами фотолитографии создаются металлические (Аl или Аu) контакты.On the underside of the substrate, silicon is etched to an oxide film. The polysilicon layer is doped to a concentration of 10 18 cm -3 , after which mesa structures are etched in it and metal (Al or Au) contacts are created by photolithography methods.
Использование структуры поликремний на оксиде исключает проблему изоляции рабочих элементов чувствительного элемента. Еще одно достоинство состоит в том, что возможно получение такой структуры, когда все рабочие элементы располагаются на тонком диэлектрическом окисле кремния изолированно от монолита кремния. Такая структура обладает высоким тепловым сопротивлением, т.к. пленка оксида тонкая и имеет малую теплопроводность.The use of polysilicon structure on oxide eliminates the problem of isolation of the working elements of the sensitive element. Another advantage is that it is possible to obtain such a structure when all the working elements are located on thin dielectric silicon oxide isolated from the silicon monolith. Such a structure has a high thermal resistance, because the oxide film is thin and has low thermal conductivity.
Недостатками известной конструкции [4] является недостаточная технологичность из-за необходимости проведения дополнительной операции ионного легирования, что усложняет процесс изготовления, и невысокая чувствительность из-за:The disadvantages of the known design [4] is the lack of manufacturability due to the need for an additional operation of ion doping, which complicates the manufacturing process, and low sensitivity due to:
- низкого коэффициента термоЭДС поликремневой пленки (116-154 мкВ/град [3]) по сравнению с монокристаллическим кремнием (575 мкВ/град [5]), что приводит к снижению чувствительности датчика более чем в 5 раз (при одинаковых размерах воспринимающей площадки),- low coefficient of thermoEMF of a polysilicon film (116-154 μV / degree [3]) in comparison with single-crystal silicon (575 μV / degree [5]), which leads to a decrease in the sensitivity of the sensor by more than 5 times (with the same size of the receiving site) ,
- наличия межзеренных границ в поликремнии, что приводит к сегрегации легирующей примеси, в частности, к неоднородному распределению удельного сопротивления в поликремнии, что, в свою очередь, приводит к нестабильности чувствительности датчика как в зависимости от материала, так и от температуры,- the presence of grain boundaries in polysilicon, which leads to segregation of the dopant, in particular, to an inhomogeneous distribution of resistivity in polysilicon, which, in turn, leads to instability of the sensor sensitivity both depending on the material and temperature,
- повышенного рассеяния в поликремнии, что снижает подвижность носителей (аналогично действует и захват носителей ловушками, содержание которых в поликремнии повышено) и приводит к снижению коэффициента термоЭДС и чувствительности датчика,- increased scattering in polysilicon, which reduces the mobility of the carriers (the capture of carriers by traps, the content of which is increased in polysilicon, works similarly) and leads to a decrease in the thermoelectric coefficient and sensitivity of the sensor,
- того, что температурный коэффициент сопротивления поликремния часто большой и отрицательный ≈-2,5×10-2К-1 при температуре 300К, в то время как для монокристаллического кремния температурный коэффициент сопротивления составляет +2×10-3K-1 [6].- the fact that the temperature coefficient of resistance of polysilicon often large and negative ≈-2.5 × 10 -2 K -1 at a temperature of 300 K, while for single-crystal silicon the temperature coefficient of resistance is + 2 × 10 -3 K -1 [6].
Задачей изобретения является повышение чувствительности датчика и его технологичности.The objective of the invention is to increase the sensitivity of the sensor and its manufacturability.
Поставленная задача достигается тем, что датчик теплового потока термоэлектронного типа содержит кремниевую подложку, на которой последовательно расположены мембрана и термопары, горячие и холодные концы которых расположены на тонкой и толстой части мембраны соответственно, а сами термопары соединены в батарею, при этом термопары выполнены из монокристаллического кремния, а мембрана выполнена из монокристаллической диэлектрической пленки фторида кальция.This object is achieved in that the thermionic heat flux type sensor contains a silicon substrate on which the membrane and thermocouples are arranged in series, the hot and cold ends of which are located on the thin and thick parts of the membrane, respectively, and the thermocouples are connected to the battery, while the thermocouples are made of single-crystal silicon, and the membrane is made of a single crystal dielectric film of calcium fluoride.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлена конструкция датчика теплового потока термоэлектрического типа на основе монокристаллической Si-Al термопары, измеряющего тепловые потоки малого уровня.The invention is illustrated by the drawing, which shows the construction of a thermoelectric type heat flux sensor based on a single-crystal Si-Al thermocouple measuring small-level heat fluxes.
Датчик содержит кремниевую подложку (1), на которой последовательно располагаются мембрана из фторида кальция (2) и термопары из монокристаллического кремния (3) и алюминия (4). На кремниевой подложке (1) методом МЛЭ выращивается слой фторида кальция (2). Затем на слое СаF2 (2) выращивался эпитаксиальный слой монокристаллического n-Si, в котором с помощью плазмохимического травления формируются чувствительные элементы (3) в виде мезоструктур, затем напыляется Аl (4).The sensor contains a silicon substrate (1), on which a membrane of calcium fluoride (2) and thermocouples of single-crystal silicon (3) and aluminum (4) are sequentially placed. A layer of calcium fluoride (2) is grown on a silicon substrate (1) by MBE. Then, an epitaxial layer of single-crystal n-Si was grown on a CaF 2 (2) layer, in which sensitive elements (3) in the form of mesostructures are formed using plasma-chemical etching, then Al is deposited (4).
Датчик работает следующим образом. Тепловой поток (5) падает на воспринимающую площадку (6), расположенную в центре, а периферия находится в условиях термостабилизации, которая обеспечивается холодильником или устройством корпуса. В теле датчика возникает градиент температур. Выходной сигнал пропорционален разности температур между горячим (6) и холодным спаем (7).The sensor operates as follows. The heat flux (5) falls on the receiving platform (6) located in the center, and the periphery is in thermal stabilization, which is provided by a refrigerator or a casing. A temperature gradient occurs in the sensor body. The output signal is proportional to the temperature difference between the hot junction (6) and the cold junction (7).
Датчики с эпитаксиальным слоем CaF2 имеют абсолютно ровный профиль мембраны и меньшую толщину чувствительного элемента. Тонкая часть пластины, а именно она определяет градиент температур, составляет 2 мкм (толщина CaF2 1 мкм, толщина монокристаллического Si над CaF2 менее 1 мкм), что повышает выходной сигнал, а, следовательно, и чувствительность датчика. Являясь хорошим диэлектриком, СаF2 исключает токи утечки через подложку. Монокристаллический кремний имеет более высокий коэффициент термоЭДС и подвижность носителей, чем поликремний, что также приводит к повышению чувствительности датчика. Технологический маршрут изготовления датчика короче на одну операцию, т.к. исключена операция ионного легирования, что повышает технологичность предложенного датчика теплового потока.Sensors with an epitaxial CaF 2 layer have an absolutely even membrane profile and a thinner sensor. The thin part of the plate, namely, it determines the temperature gradient, is 2 μm (the thickness of CaF 2 is 1 μm, the thickness of single-crystal Si over CaF 2 is less than 1 μm), which increases the output signal and, therefore, the sensitivity of the sensor. Being a good dielectric, CaF 2 eliminates leakage currents through the substrate. Monocrystalline silicon has a higher coefficient of thermoEMF and carrier mobility than polysilicon, which also leads to an increase in the sensitivity of the sensor. The technological route of manufacturing the sensor is shorter by one operation, because the operation of ion doping is excluded, which increases the manufacturability of the proposed heat flow sensor.
Для выбора оптимальных геометрических размеров сенсора было рассчитано тепловое поле в теле мембраны. Расположение горячих спаев на воспринимающей площадке в центре мембраны, а холодных -у бортика мембраны приводит к наибольшему выходному сигналу. Соединение термопар параллельно по входному и последовательно по выходу позволяет получить выходной сигнал, равный сумме сигналов единичных термопар:To select the optimal geometric dimensions of the sensor, the thermal field in the membrane body was calculated. The location of hot junctions on the receiving site in the center of the membrane, and cold junctions at the membrane edge leads to the greatest output signal. The connection of thermocouples in parallel at the input and in series at the output allows you to get an output signal equal to the sum of the signals of a single thermocouple:
Е=αΔTnE = αΔTn
где n - число термопар.where n is the number of thermocouples.
ЛитератураLiterature
1. Киреев П.С. Физика полупроводников. - М., 1969.1. Kireev P.S. Semiconductor Physics. - M., 1969.
2. Рубцов, Дикарева Р.П., Киселев Г.А., Аверков Е.И. Полупроводниковые приемники лучистых тепловых потоков, Известия Сибирского отделения Академии наук СССР, Серия технических наук, вып.6, “Наука”, Новосибирск.2. Rubtsov, Dikareva R.P., Kiselev G.A., Averkov E.I. Semiconductor receivers of radiant heat fluxes, Bulletin of the Siberian Branch of the USSR Academy of Sciences, Series of Technical Sciences, vol.6, “Science”, Novosibirsk.
3. Jiangou Lu., Bing Xiong and Chenglu Lin, Structure and properties of silicon-metal thermopile, Sensors and Actuators A 35, 1993.3. Jiangou Lu., Bing Xiong and Chenglu Lin, Structure and properties of silicon-metal thermopile, Sensors and Actuators A 35, 1993.
4. Choi and Wise, Micromachined thermopile IR Detector, Micromachined Transducers Sourebook, 1993.4. Choi and Wise, Micromachined thermopile IR Detector, Micromachined Transducers Sourebook, 1993.
5. Иоффе А. Избранные труды. - Л.: Наука, 1975, с.384.5. Ioffe A. Selected Works. - L .: Nauka, 1975, p. 384.
6. Поликристаллические полупроводники. Физические свойства и применения./Под ред. Г. Харбеке. - М.: Мир, 1989, с.252.6. Polycrystalline semiconductors. Physical properties and applications./ Ed. G. Harbeke. - M.: Mir, 1989, p. 252.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003100693/28A RU2242728C2 (en) | 2003-01-08 | 2003-01-08 | Heat flux sensor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003100693/28A RU2242728C2 (en) | 2003-01-08 | 2003-01-08 | Heat flux sensor |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2003100693A RU2003100693A (en) | 2004-07-20 |
RU2242728C2 true RU2242728C2 (en) | 2004-12-20 |
Family
ID=34387466
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2003100693/28A RU2242728C2 (en) | 2003-01-08 | 2003-01-08 | Heat flux sensor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2242728C2 (en) |
-
2003
- 2003-01-08 RU RU2003100693/28A patent/RU2242728C2/en not_active IP Right Cessation
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Sedky et al. | Characterization and optimization of infrared poly SiGe bolometers | |
US20060244067A1 (en) | Tmos-infrared uncooled sensor and focal plane array | |
US9006857B1 (en) | Platform comprising an infrared sensor | |
Oliver et al. | A 1024-element bulk-micromachined thermopile infrared imaging array | |
Iborra et al. | IR uncooled bolometers based on amorphous Ge/sub x/Si/sub 1-x/O/sub y/on silicon micromachined structures | |
Allison et al. | A bulk micromachined silicon thermopile with high sensitivity | |
US6518597B1 (en) | IR sensor and method for fabricating the same | |
US5982014A (en) | Microfabricated silicon thermopile sensor | |
US6597051B2 (en) | Thermoelectric infrared detector | |
Li et al. | A front-side microfabricated tiny-size thermopile infrared detector with high sensitivity and fast response | |
Dehe et al. | Infrared thermopile sensor based on AlGaAs—GasAs micromachining | |
Dong et al. | An uncooled microbolometer infrared detector based on poly-SiGe thermistor | |
JP3228267B2 (en) | Electronic device | |
JP3573754B2 (en) | Temperature sensor structure | |
Dobrzański et al. | Micromachined silicon bolometers as detectors of soft X-ray, ultraviolet, visible and infrared radiation | |
RU2242728C2 (en) | Heat flux sensor | |
Socher et al. | Optimal performance of CMOS compatible IR thermoelectric sensors | |
KR101072290B1 (en) | thermoelectric sensor using Ge material | |
US20230088920A1 (en) | Infrared sensor and method of controlling infrared sensor | |
Neuzil et al. | Micromachined bolometer with single-crystal silicon diode as temperature sensor | |
JP2003282961A (en) | Thermocouple | |
Boutchich et al. | Package-free infrared micro sensor using polysilicon thermopile | |
RU82934U1 (en) | BOLOMETRIC RADIATION RECEIVER | |
Levin | A numerical simulation tool for infrared thermopile detectors | |
KR20170024456A (en) | Infrared detector and infrared thermal sensor having thereof |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20080109 |