RU2247442C1 - Thermometer system and method for manufacturing data integrated circuit for thermometer system - Google Patents

Thermometer system and method for manufacturing data integrated circuit for thermometer system Download PDF

Info

Publication number
RU2247442C1
RU2247442C1 RU2004112110/28A RU2004112110A RU2247442C1 RU 2247442 C1 RU2247442 C1 RU 2247442C1 RU 2004112110/28 A RU2004112110/28 A RU 2004112110/28A RU 2004112110 A RU2004112110 A RU 2004112110A RU 2247442 C1 RU2247442 C1 RU 2247442C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
input
heat
comparison unit
inertia
substrate
Prior art date
Application number
RU2004112110/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
ков А.В. Корл (RU)
А.В. Корляков
В.В. Лучинин (RU)
В.В. Лучинин
А.П. Бройко (RU)
А.П. Бройко
О.С. Бохов (RU)
О.С. Бохов
Original Assignee
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет" ("ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" (СПбГЭТУ)
Государственное унитарное предприятие "Центр технологий микроэлектроники" (ФГУП ЦТМ)
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 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет" ("ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" (СПбГЭТУ), Государственное унитарное предприятие "Центр технологий микроэлектроники" (ФГУП ЦТМ) filed Critical Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет" ("ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" (СПбГЭТУ)
Priority to RU2004112110/28A priority Critical patent/RU2247442C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2247442C1 publication Critical patent/RU2247442C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Semiconductor Integrated Circuits (AREA)

Abstract

FIELD: heat measuring devices displaying extreme temperature conditions of functional equipment.
SUBSTANCE: proposed thermometer system has data integrated circuit and external measuring circuit. Data integrated circuit has base that carries fast-response and lagging heat-sensing elements built around thermistors mounted on solid-body substrate and used for measuring temperature of medium and wall of location under check, respectively, as well as power leads for connecting heat-sensing elements to external measuring circuit. The latter is provided with comparison unit and display unit. Fast-response heat-sensing element is connected to first input of display unit and lagging one, to second input of comparison unit. Substrate is made of semiconductor material. Newly installed in external measuring circuit are adder as well as first and second transducer amplifiers. Fast-response heat-sensing element is connected to first input of comparison unit and to that of adder through first transducer amplifier. Lagging heat-sensing element is connected to second input of comparison unit through second transducer amplifier. Comparison unit output is connected to second input of adder and output of the latter, to input of display unit either directly or through switching unit. Method for manufacturing data integrated circuit includes formation of thermistors of fast-response and lagging heat-sensing elements on solid-body substrate, attachment of heat-sensing elements to integrated circuit base, and their connection to power leads of external measuring circuit. Thermistors are formed by applying thermistor layer onto semiconductor substrate followed by forming microprofiles. Metal is deposited on contact pads and the latter are connected to respective heat-sensing elements. Substrate section to suit location of fast-response heat-sensing element is removed or blind hole is etched therein and contact pads are connected to power leads embedded in integrated circuit base.
EFFECT: enhanced descriptiveness and sensitivity of target part; reduced size.
3 cl, 5 dwg, 2 tbl

Description

Изобретения относятся к конструированию и технологии производства теплоизмерительных приборов на основе элементов микроэлектроники. Наиболее эффективно их использовать для индикации экстремальных температурных условий функционирования различных объектов, например, при взрыве, пожаре, аварийных перегревах или переохлаждениях и т.д.The invention relates to the design and production technology of heat measuring devices based on elements of microelectronics. It is most effective to use them to indicate the extreme temperature conditions for the functioning of various objects, for example, in case of explosion, fire, emergency overheating or hypothermia, etc.

Известна термоизмерительная система (ТС), содержащая каналы измерения температуры и разности температур в нескольких точках контролируемого объекта, подключаемые к усилителю-преобразователю с помощью блока ключей, управляемого контроллером. Система дополнительно содержит вычислительный блок обработки результатов измерения и блок индикации (RU 2025675, G 01 К 3/08, 1994).Known temperature measuring system (TS), containing channels for measuring temperature and temperature difference at several points of the controlled object, connected to the amplifier-converter using a key block controlled by the controller. The system further comprises a computing unit for processing measurement results and an indication unit (RU 2025675, G 01 K 3/08, 1994).

Однако данная система сложна в настройке из-за необходимости разработки алгоритмов и программ функционирования вычислительного блока. Кроме того, она малочувствительна к высокодинамичным тепловым процессам, так как в ней отсутствует информация о скорости изменения температур.However, this system is difficult to configure due to the need to develop algorithms and programs for the functioning of the computing unit. In addition, it is insensitive to highly dynamic thermal processes, since it does not contain information about the rate of change of temperature.

Известна также ТС, содержащая два канала измерения температуры с помощью термочувствительных элементов (ТЧЭ), имеющих различные статические характеристики, и блок сравнения с функциональным преобразователем, выделяющий разность сигналов ТЧЭ. При этом в качестве ТЧЭ использованы термопары, горячие спаи которых расположены в одной изотермической зоне объекта исследований, а холодные спаи - в другой изотермической зоне объекта исследований (RU 1658710, G 01 К 3/08, 1995).A TS is also known, which contains two channels for measuring temperature with the help of thermosensitive elements (TFE), which have different static characteristics, and a comparison unit with a functional converter that distinguishes the difference of the signals of the TFE. In this case, thermocouples were used as TECs, the hot junctions of which are located in one isothermal zone of the research object, and the cold junctions are in the other isothermal zone of the research object (RU 1658710, G 01 K 3/08, 1995).

Данная ТС также сложна в настройке, а ее выходной сигнал (разность температур изотермических зон) обладает низкой информативностью, так как не учитывает динамику теплового процесса.This TS is also difficult to configure, and its output signal (temperature difference of isothermal zones) has low information content, since it does not take into account the dynamics of the thermal process.

Наиболее близкой к заявляемой является ТС, содержащая информационную микросхему и внешнюю измерительную цепь, в которой информационная микросхема включает основание, прикрепленные к основанию малоинерционный и инерционный ТЧЭ на основе терморезисторов, смонтированные на подложке из твердого тела с возможностью измерения температуры среды и стенки контролируемого помещения соответственно, и электрические выводы для подключения ТЧЭ к внешней измерительной цепи, а внешняя измерительная цепь оснащена блоком сравнения и блоком индикации, причем малоинерционный ТЧЭ подключен к первому входу блока сравнения, а инерционный ТЧЭ - ко второму входу блока сравнения. В качестве материала подложки используется эпоксидная смола. Различие в инерционности ТЧЭ в данной системе может быть достигнуто объединением массы одного из ТЧЭ с массой прибора или стенки контролируемого помещения, различными массами используемых подложек и других элементов теплоизоляции, а также установкой малоинерционного ТЧЭ непосредственно в среде контролируемого помещения (JР 2001-299253, G 08 В 17/00; US 20030063005, G 08 В 17/00, 2003). Здесь на выходе фиксируется мгновенный сигнал разности температур среды и корпуса контролируемого аппарата или помещения согласно формуле:Closest to the claimed one is a TS containing an information microcircuit and an external measuring circuit in which the information microcircuit includes a base attached to the base with low inertia and inertial TFE based on thermistors mounted on a solid substrate with the ability to measure the temperature of the medium and the walls of the controlled room, respectively, and electrical leads for connecting the HSE to an external measuring circuit, and the external measuring circuit is equipped with a comparison unit and an indicator unit and, moreover, the low-inertia TEC is connected to the first input of the comparison unit, and the inertial TEC is connected to the second input of the comparison unit. As the substrate material, epoxy is used. The difference in the inertia of the TEC in this system can be achieved by combining the mass of one of the TEC with the mass of the device or the wall of the controlled room, the different masses of the used substrates and other elements of thermal insulation, as well as the installation of low-inertia TEC directly in the environment of the controlled room (JP 2001-299253, G 08 B 17/00; US 20030063005, G 08 B 17/00, 2003). Here, the instantaneous signal of the temperature difference between the medium and the case of the controlled apparatus or room is recorded at the output according to the formula:

Figure 00000002
Figure 00000002

где ΔТ - разностный сигнал, получаемый на выходе элемента сравнения;where ΔТ is the difference signal received at the output of the comparison element;

Т1 - температура среды контролируемого объекта;T 1 - the temperature of the medium of the controlled object;

Т2 - температура стенки контролируемого объекта.T 2 - wall temperature of the controlled object.

Значение ΔТ в условиях разной тепловой инерции ТЧЭ содержит информацию о скорости изменения температуры среды. В установившемся режиме ΔТ=0.The value of ΔТ under conditions of different thermal inertia TEC contains information about the rate of change of the temperature of the medium. In the steady state ΔТ = 0.

Недостатком данной системы является ее низкая информативность в целях управления (например, пожаротушением), так как системы управления по скорости изменения какого-либо физического фактора неработоспособны из-за их неустойчивости, что общеизвестно.The disadvantage of this system is its low information content for control purposes (for example, fire fighting), since control systems by the rate of change of a physical factor are inoperative due to their instability, which is well known.

Технической задачей предлагаемого устройства является повышение информативности и обеспечение возможности его использования для управления контролируемым процессом.The technical task of the proposed device is to increase the information content and ensure the possibility of its use to control a controlled process.

Решение указанной задачи заключается в том, что в ТС, содержащую информационную микросхему и внешнюю измерительную цепь, в которой информационная микросхема включает основание, прикрепленные к основанию малоинерционный и инерционный ТЧЭ на основе терморезисторов, смонтированных на подложке из твердого тела с возможностью измерения температуры среды и стенки контролируемого помещения соответственно, и электрические выводы для подключения ТЧЭ к внешней измерительной цепи, а внешняя измерительная цепь оснащена блоком сравнения и блоком индикации, причем малоинерционный ТЧЭ подключен к первому входу блока сравнения, а инерционный ТЧЭ подключен ко второму входу блока сравнения, вносятся следующие изменения:The solution to this problem lies in the fact that in a TS containing an information microcircuit and an external measuring circuit, in which the information microcircuit includes a base, low-inertial and inertial TFEs attached to the base, based on thermistors mounted on a solid substrate with the ability to measure the temperature of the medium and the wall of the controlled room, respectively, and electrical leads for connecting the HSE to an external measuring circuit, and the external measuring circuit is equipped with a comparison unit and a unit m display, the quick-response TCE is connected to a first input of the comparator, and the inertial TCE is connected to the second input of the comparator, the following changes are made:

1) в качестве подложки терморезисторов использован полупроводниковый материал;1) a semiconductor material is used as a substrate for thermistors;

2) во внешней измерительной цепи дополнительно установлены сумматор и первый и второй усилители-преобразователи;2) an adder and first and second amplifiers-converters are additionally installed in the external measuring circuit;

3) малоинерционный ТЧЭ подключен к первому входу блока сравнения и к первому входу сумматора через первый усилитель-преобразователь;3) low-inertia TEC is connected to the first input of the comparison unit and to the first input of the adder through the first amplifier-converter;

4) инерционный ТЧЭ подключен ко второму входу блока сравнения через второй усилитель-преобразователь;4) inertial TEC is connected to the second input of the comparison unit through the second amplifier-converter;

5) выход блока сравнения подключен ко второму входу сумматора;5) the output of the comparison unit is connected to the second input of the adder;

6) выход сумматора связан с входом блока индикации непосредственно или через коммутатор.6) the output of the adder is connected to the input of the display unit directly or through a switch.

В такой системе разностный сигнал, получаемый на выходе элемента сравнения, который, как и в прототипе, содержит информацию о скорости изменения температуры среды контролируемого объекта, суммируется с информационным сигналом температуры среды. Таким образом, на блок индикации поступает информация, описываемая формулой:In such a system, the difference signal received at the output of the comparison element, which, as in the prototype, contains information about the rate of change of the temperature of the medium of the controlled object, is summed with the information signal of the temperature of the medium. Thus, the information described by the formula enters the display unit:

Figure 00000003
Figure 00000003

где Хвых - сигнал на выходе ТС;where X o - signal at the output of the vehicle;

k - коэффициент пропорциональности.k is the coefficient of proportionality.

Из анализа формулы (2) видно, что на выходе предлагаемой ТС содержится упреждающая информация о температуре среды, скорректированная по скорости ее изменения. Очевидно, что при использовании этой информации в целях управления может быть реализован пропорционально-дифференциальный (ПД) алгоритм формирования управляющего воздействия, в чем и состоит причинно-следственная связь внесенных изменений с достигнутым техническим результатом. В этом случае значение коэффициента k, определяющего долю управляющего воздействия по производной, устанавливают в пределах от 0,1 до 0,3, как это принято в системах автоматического регулирования ПД-действия. При использовании выходного сигнала только в информационных целях значение коэффициента k может быть установлено выше указанного верхнего предела.An analysis of formula (2) shows that the output of the proposed vehicle contains proactive information about the temperature of the medium, adjusted for its rate of change. Obviously, when using this information for control purposes, a proportional-differential (PD) algorithm for generating a control action can be implemented, which is the cause-effect relationship of the changes made with the achieved technical result. In this case, the value of the coefficient k, which determines the share of the control action with respect to the derivative, is set in the range from 0.1 to 0.3, as is customary in automatic control systems for PD-action. When using the output signal for informational purposes only, the value of the coefficient k can be set above the specified upper limit.

Выполнение подложки из полупроводникового материала обеспечивает не только возможность изготовления ТЧЭ и всей микросхемы методами микротехнологии, что важно как в отношении технологичности и миниатюризации конструкции, так и, особенно, в отношении уменьшения постоянной времени малоинерционной термопары, поскольку чем меньше данная постоянная времени, тем ближе значение разностного сигнала ΔТ к мгновенному значению производной. Кроме того, экспериментально установлено, что значения температур, измеряемых ТЧЭ новой микросхемы, в отличие от прототипа различаются даже в установившемся режиме. Это позволяет судить о значениях температур среды и стенки контролируемого объекта не только в динамическом, но и в статическом режимах. Данное свойство информационной микросхемы обеспечивается, по-видимому, не только заменой материала подложки, но и выполнением малоинерционного ТЧЭ на микроуровне (поскольку масса определяет его тепловую инерцию).The implementation of the substrate from a semiconductor material provides not only the possibility of fabricating HFCs and the entire microcircuit using microtechnology methods, which is important both in terms of manufacturability and miniaturization of the structure, and, especially, in relation to reducing the time constant of the low-inertia thermocouple, since the smaller this time constant, the closer the value difference signal ΔT to the instantaneous value of the derivative. In addition, it was experimentally established that the temperatures measured by the HSE of the new microcircuit, unlike the prototype, differ even in the steady state. This allows us to judge the values of the temperature of the medium and the walls of the controlled object not only in dynamic but also in static modes. This property of the information microcircuit is apparently ensured not only by replacing the substrate material, but also by performing low-inertia TEC at the micro level (since the mass determines its thermal inertia).

Для повышения информативности ТС ее блок индикации может быть выполнен трехканальным. В этом случае помимо информационного канала, описываемого формулой (2), на блок индикации может быть выведена дополнительная информация о значениях температур Т1 и Т2. В данном варианте блок индикации выполнен трехканальным, при этом выход сумматора связан с первым входом блока индикации, выход первого усилителя-преобразователя дополнительно подключен ко второму входу блока индикации, а выход второго усилителя-преобразователя дополнительно подключен к третьему входу блока индикации.To increase the information content of the vehicle, its display unit can be made three-channel. In this case, in addition to the information channel described by formula (2), additional information about the temperatures T 1 and T 2 can be displayed on the display unit. In this embodiment, the display unit is three-channel, with the adder output connected to the first input of the display unit, the output of the first amplifier-converter is additionally connected to the second input of the display unit, and the output of the second amplifier-converter is additionally connected to the third input of the display unit.

Альтернативой является вариант с подключением одноканального блока индикации через коммутатор, установленный с возможностью переключения информационных каналов. Для автоматизации процесса переключения измерительных каналов внешняя измерительная цепь дополнительно содержит таймер, выход которого подключен к управляющему входу коммутатора.An alternative is the option of connecting a single-channel display unit through a switch installed with the ability to switch information channels. To automate the process of switching the measuring channels, the external measuring circuit additionally contains a timer, the output of which is connected to the control input of the switch.

Поскольку технические характеристики устройства определяются технологией изготовления информационной микросхемы, данная технология заявляется независимым пунктом формулы.Since the technical characteristics of the device are determined by the manufacturing technology of the information chip, this technology is declared an independent claim.

Прототипом способа является патент US 20030063005, G 08 В 17/00, 2003 в связи с близостью конструкций получаемых целевых изделий. Как видно из описания прототипа, информационную схему для ТС в известном способе изготавливают формированием малоинерционного и инерционного ТЧЭ на подложке, выполненной из твердого тела, а именно эпоксидной смолы, и присоединяют их к электрическим выводам для подключения ТЧЭ к внешней измерительной цепи. Такой способ нетехнологичен (он не является микротехнологией, что видно из используемого материала подложки) и не обеспечивает миниатюризацию целевого изделия на уровне микроэлектронной схемы, что имеет следствием низкую инерционность измерений и нечувствительность к разности температур среды и стенки контролируемого объекта в статическом режиме.The prototype of the method is the patent US 20030063005, G 08 17/00, 2003 in connection with the proximity of the structures of the resulting target products. As can be seen from the description of the prototype, an information circuit for a TS in the known method is produced by forming a low-inertial and inertial TFE on a substrate made of a solid, namely epoxy resin, and they are connected to electrical terminals for connecting the TFE to an external measuring circuit. This method is non-technological (it is not microtechnology, as can be seen from the used substrate material) and does not provide miniaturization of the target product at the microelectronic circuit level, which results in low inertia of measurements and insensitivity to the temperature difference between the medium and the wall of the controlled object in static mode.

Технической задачей предлагаемого способа является миниатюризация и повышение чувствительности целевого изделия.The technical task of the proposed method is to miniaturize and increase the sensitivity of the target product.

Решение данной технической задачи заключается в том, что в способ изготовления информационной микросхемы для ТС, предусматривающий формирование терморезисторов малоинерционного и инерционного ТЧЭ на подложке, выполненной из твердого тела, прикрепление ТЧЭ к основанию микросхемы и присоединение ТЧЭ к электрическим выводам для подключения к внешней измерительной цепи, вносятся следующие изменения и дополнения:The solution to this technical problem lies in the fact that in a method of manufacturing an information microcircuit for a TS, involving the formation of thermistors of low inertia and inertial TFE on a substrate made of a solid body, attaching a TFE to the base of the microcircuit and attaching a TFE to electrical terminals for connection to an external measuring circuit, The following changes and additions are made:

1) терморезисторы формируют нанесением терморезистивного слоя на подложку из полупроводникового материала с последующим микропрофилированием этого слоя;1) thermistors are formed by applying a thermoresistive layer to a substrate of semiconductor material with subsequent microprofiling of this layer;

2) выполняют металлизированные контактные площадки и их подключения к соответствующим ТЧЭ;2) perform metallized contact pads and their connection to the corresponding TEC;

3) участок подложки по месту расположения терморезистора малоинерционного термочувствительного элемента удаляют или вытравливают в нем глухое отверстие;3) a substrate section at the location of the thermistor of a low-inertia thermosensitive element is removed or a blind hole is etched in it;

4) контактные площадки присоединяют к электрическим выводам, вмонтированным в основание информационной микросхемы.4) the contact pads are attached to the electrical terminals mounted in the base of the information chip.

На фиг.1 и 2 приведены функциональные схемы вариантов ТС;Figure 1 and 2 shows the functional diagrams of the options for the vehicle;

на фиг.3-5 представлены схемы конструкций основных узлов вариантов информационных микросхем ТС.figure 3-5 presents a diagram of the designs of the main nodes of the options for information chips of the vehicle.

В табл.1 и 2 приведены технические характеристики вариантов ТС.Tables 1 and 2 show the technical characteristics of the vehicle options.

ТС (фиг.1) содержит информационную микросхему и внешнюю измерительную цепь, в которой информационная микросхема включает малоинерционный ТЧЭ 1 и инерционный ТЧЭ 2 с чувствительными элементами на основе терморезисторов, смонтированных на подложке из полупроводникового материала с возможностью измерения температуры среды и стенки контролируемого помещения соответственно, электрически подключенные к внешней измерительной цепи, оснащенной первым и вторым усилителями-преобразователями (поз. 3 и 4), блоком 5 сравнения, сумматором 6 и блоком 7 индикации. При этом малоинерционный ТЧЭ 1 подключен через усилитель-преобразователь 3 к первому входу блока 5 сравнения и первому входу сумматора 6, инерционный ТЧЭ 2 подключен через усилитель-преобразователь 4 ко второму входу блока 5 сравнения, выход блока 5 сравнения подключен ко второму входу сумматора 6, а выход сумматора 6 непосредственно связан с блоком индикации 7. При использовании многоканального блока индикации 7 к его информационным входам дополнительно подключены выходы усилителей-преобразователей 3 и 4 (указаны пунктиром).TS (Fig. 1) contains an information microcircuit and an external measuring circuit, in which the information microcircuit includes a low-inertia TEC 1 and an inertial TEC 2 with sensitive elements based on thermistors mounted on a substrate of semiconductor material with the ability to measure the temperature of the medium and the walls of the controlled room, respectively, electrically connected to an external measuring circuit equipped with the first and second amplifiers-converters (items 3 and 4), a comparison unit 5, an adder 6 and a unit 7 Superimpose. In this case, the low-inertia TCE 1 is connected through an amplifier-converter 3 to the first input of the comparison unit 5 and the first input of the adder 6, the inertial TCHE 2 is connected through an amplifier-converter 4 to the second input of the comparison unit 5, the output of the comparison unit 5 is connected to the second input of the adder 6, and the output of the adder 6 is directly connected to the display unit 7. When using a multi-channel display unit 7, the outputs of amplifiers-converters 3 and 4 (indicated by a dotted line) are additionally connected to its information inputs.

Блок сравнения 5 выделяет разностный сигнал ΔТ согласно формуле (1) с учетом значения заданного коэффициента пропорциональности k. Сумматор 6 добавляет k·ΔТ к значению температуры Т1 среды исследуемого объекта. Таким образом, сигнал на выходе сумматора 6 в динамическом режиме скорректирован по скорости изменения температуры среды. Экспериментально установлено, что даже в стационарном состоянии значения температур Т1 и Т2, фиксируемые блоком индикации 7, могут различаться. Это происходит потому, что в предлагаемой конструкции информационной микросхемы малоинерционный ТЧЭ 1 фактически фиксирует некоторую среднюю температуру между температурой среды и температурой корпуса исследуемого объекта. Экспериментальные данные, подтверждающие это обстоятельство, приведены в табл.1 и 2.The comparison unit 5 selects the difference signal ΔT according to the formula (1), taking into account the value of a given proportionality coefficient k. The adder 6 adds k · ΔT to the temperature value T 1 of the medium of the investigated object. Thus, the signal at the output of the adder 6 in the dynamic mode is adjusted for the rate of change of the temperature of the medium. It was experimentally established that even in a stationary state, the temperatures T 1 and T 2 recorded by the display unit 7 can vary. This is because in the proposed design of the information microcircuit, the low-inertia TEC 1 actually captures a certain average temperature between the temperature of the medium and the temperature of the case of the object under study. The experimental data confirming this circumstance are given in Tables 1 and 2.

При использовании одноканального блока индикации 7 (фиг.2) этот блок подключен к выходу сумматора 6 и усилителей-преобразователей 3 и 4 через коммутатор 8. Для автоматического переключения информационных каналов используется таймер 9, который подключен к управляющему входу коммутатора 8.When using a single-channel display unit 7 (Fig. 2), this unit is connected to the output of the adder 6 and amplifiers-converters 3 and 4 through the switch 8. To automatically switch the information channels, a timer 9 is used, which is connected to the control input of the switch 8.

Варианты конструкции информационной микросхемы описываются далее в примерах, иллюстрирующих их изготовление.Variants of the design of the information chip are described further in the examples illustrating their manufacture.

ПРИМЕР 1. Для изготовления информационной микросхемы ТС формируют малоинерционный и инерционный ТЧЭ 1 и 2 на основе дискретных терморезисторов на подложке 10 (фиг.3), выполненной из германия. С этой целью на подложку 10 наносят диэлектрический подслой 11 из АlN толщиной 1,0 мкм высокочастотным распылением Аl с помощью магнетрона в смеси газов аргона и азота при температуре подложки 400°С. Далее на подслой 11 наносят терморезистивный слой поликристаллического Si толщиной 0,5 мкм (на фигурах не указан, чтобы не загромождать чертеж) распылением мишени поликристаллического Si с помощью магнетрона в среде аргона при температуре подложки 450°С, в котором формируют поликристаллические Si-терморезисторы 12 и 13 для ТЧЭ 1 и 2 соответственно микропрофилированием с помощью химического травления. Далее формируют металлизированные контактные площадки 14 и электрические соединения их с терморезисторами 12 и 13 магнетронным нанесением Аl с последующей фотолитографией.EXAMPLE 1. For the manufacture of an information microcircuit, TSs form a low-inertia and inertial TCE 1 and 2 based on discrete thermistors on a substrate 10 (Fig. 3) made of germanium. For this purpose, a dielectric sublayer 11 of AlN 1.0 μm thick is applied to the substrate 10 by high-frequency spraying of Al with a magnetron in a mixture of argon and nitrogen gases at a substrate temperature of 400 ° C. Next, a thermoresistive layer of polycrystalline Si with a thickness of 0.5 μm (not shown in the figures so as not to clutter the drawing) is applied to the sublayer 11 by spraying a polycrystalline Si target with a magnetron in argon at a substrate temperature of 450 ° C, in which polycrystalline Si thermistors 12 are formed and 13 for TCEs 1 and 2, respectively, by microprofiling by chemical etching. Then metallized contact pads 14 and their electrical connections with thermistors 12 and 13 are formed by magnetron deposition of Al followed by photolithography.

Подложку 10 с нанесенными элементами разрезают в плоскости А-А для разъединения ТЧЭ 1 от ТЧЭ 2.The substrate 10 with the deposited elements is cut in the plane aa to separate TCE 1 from TCE 2.

Далее осуществляют сборку узла информационной микросхемы (фиг.4) на коваровом основании 15, в котором с помощью стеклянных изоляторов 16 вмонтированы электрические выводы 17, 18 и 19 для подключения информационной микросхемы к внешней измерительной цепи. ТЧЭ 1 подвешивают между электрическими выводами 17 и 18 на высоте 2 мм от основания 15 (для обеспечения его низкой тепловой инерционности) на проволоках 20 из Аu с одновременным электрическим соединением этих выводов с соответствующими контактными площадками 14 ТЧЭ 1. ТЧЭ 2 приклеивают к основанию 15 между электрическими выводами 18 и 19 и аналогично электрически соединяют с данными выводами. Элементы, установленные на основании 15, закрывают защитной крышкой 21, снабженной металлической сеткой 22 для тепломассообмена с окружающей средой. В данной конструкции элементы 15-19, 21 использованы от корпуса микросхем серии ТО-5 (США).Next, the assembly of the information microcircuit assembly (Fig. 4) is carried out on an insidious base 15, in which, using glass insulators 16, electrical leads 17, 18 and 19 are mounted to connect the information microcircuit to an external measuring circuit. TCE 1 is suspended between the electrical leads 17 and 18 at a height of 2 mm from the base 15 (to ensure its low thermal inertia) on wires 20 of Au with the simultaneous electrical connection of these leads with the corresponding contact pads 14 TEC 1. TEC 2 are glued to the base 15 between electrical pins 18 and 19 and similarly electrically connected to these pins. The elements mounted on the base 15 are closed with a protective cover 21 provided with a metal mesh 22 for heat and mass transfer with the environment. In this design, elements 15-19, 21 are used from the case of microcircuits of the TO-5 series (USA).

Микросхему подключают к внешней измерительной цепи, выполненной согласно фиг.1 при значении коэффициента к (см. формулу 2), равном 1,0, и испытывают на модели аппаратуры, работающей в обычных и экстремальных температурных условиях среды при регулировании температуры среды с относительной приведенной погрешностью 1-3%. Испытания проводят при начальных значениях температуры среды от 20 до 250°С. Динамический режим создают увеличением задания терморегулятору на 30°С. Фиксируют значения температур Т1 и Т2, измеряемых малоинерционным и инерционным ТЧЭ 1 и 2, а также максимальное значение сигнала Хвых, снимаемого с блока 7 индикации.The microcircuit is connected to an external measuring circuit made according to Fig. 1 with a coefficient k (see formula 2) equal to 1.0, and tested on a model of equipment operating in ordinary and extreme temperature conditions of the medium when controlling the temperature of the medium with a relative reduced error 1-3%. The tests are carried out at initial temperatures of 20 to 250 ° C. The dynamic mode is created by increasing the task of the thermostat by 30 ° C. The values of temperatures T 1 and T 2 measured by low-inertial and inertial TEC 1 and 2, as well as the maximum value of the signal X o , taken from the display unit 7 are fixed.

Результаты испытаний приведены в табл.1. Как видно из таблицы, в установившемся режиме значение температуры Т2 меньше, чем Т1 на 1-4°С, что свидетельствует о наличии разности температур среды и корпуса в статике, в связи с чем целесообразно в соответствующих ситуациях принятие решений с учетом значений указанных температур. Из таблицы видно также, что в динамическом режиме максимальное значение Хвых существенно (на 9-16°С) выше температуры, установившейся по окончании переходного процесса, вызванного скачкообразным (на 30°С) повышением заданного значения регулятору температуры. Поэтому в динамическом режиме снимается упреждающий выходной сигнал Хвых, который может быть использован для своевременного подавления аварийного состояния объекта.The test results are shown in table 1. As can be seen from the table, in the steady state, the temperature T 2 is less than T 1 by 1-4 ° C, which indicates the presence of a difference in the temperature of the medium and the housing in the static, and therefore it is advisable in appropriate situations to make decisions taking into account the values indicated temperatures. The table also shows that in dynamic mode, the maximum value of X o is significantly (9-16 ° C) higher than the temperature that was established at the end of the transition process caused by an abrupt (30 ° C) increase in the set value of the temperature controller. Therefore, in the dynamic mode, the pre-emptive output signal X o is removed, which can be used to timely suppress the emergency state of the object.

ПРИМЕР 2. Для изготовления информационной микросхемы (фиг.5) ТС формируют малоинерционный и инерционный ТЧЭ 1 и 2 на основе интегральных терморезисторов на подложке 10, выполненной из кремния. С этой целью на подложке 10 формируют диэлектрический подслой 11 из SiO2 толщиной 0,5 мкм термическим окислением при 1000°С. Далее на подслой 11 наносят терморезистивный слой SiC толщиной 0,8 мкм (на фиг.5 не указан) распылением мишени поликристаллического SiC с помощью магнетрона в среде аргона при температуре подложки 850°С, в котором формируют SiC-терморезисторы 12 и 13 для ТЧЭ 1 и 2 соответственно микропрофилированием с помощью плазмохимического травления. Далее формируют металлизированные контактные площадки 14 и электрические соединения их с терморезисторами 12 и 13 магнетронным нанесением Ni с последующей фотолитографией.EXAMPLE 2. For the manufacture of an information microcircuit (Fig. 5), TSs are formed with low-inertia and inertial TFEs 1 and 2 on the basis of integrated thermistors on a substrate 10 made of silicon. For this purpose, a dielectric sublayer 11 of SiO 2 with a thickness of 0.5 μm is formed on the substrate 10 by thermal oxidation at 1000 ° C. Next, a thermally resistive SiC layer 0.8 μm thick (not shown in FIG. 5) is applied to the sublayer 11 by sputtering the polycrystalline SiC target with a magnetron in argon at a substrate temperature of 850 ° C, in which SiC thermistors 12 and 13 are formed for TEC 1 and 2, respectively, microprofiling using plasma chemical etching. Next, metallized contact pads 14 and their electrical connections with thermistors 12 and 13 are formed by magnetron deposition of Ni followed by photolithography.

Затем на свободной стороне подложки 10 по месту расположения терморезистора 12 вытравливают глухое отверстие 23 для уменьшения инерционности ТЧЭ 1 и приклеивают этой стороной к основанию 15.Then on the free side of the substrate 10 at the location of the thermistor 12, a blind hole 23 is etched to reduce the inertia of the TCE 1 and glued to the base 15 with this side.

Далее информационную микросхему подключают к внешней измерительной цепи, выполненной согласно фиг.2 при значении коэффициента k (см. формулу 2), равном 1,0. Микросхему испытывают как в примере 1.Next, the information chip is connected to an external measuring circuit, made according to figure 2 with a value of the coefficient k (see formula 2) equal to 1.0. The chip is tested as in example 1.

Результаты испытаний приведены в табл.2. Как видно из таблицы, в установившемся режиме значение температуры Т2 меньше, чем Т1 на 1-3°С, что свидетельствует о наличии в данном варианте конструкции разности температур среды и корпуса в статике. В динамическом режиме максимальное значение Хвых на 5-9°С выше температуры, установившейся по окончании переходного процесса, вызванного скачкообразным повышением заданного значения регулятору температуры. Здесь также имеется упреждающий выходной сигнал Хвых, который может быть использован для своевременного подавления аварийного состояния объекта.The test results are shown in table.2. As can be seen from the table, in the steady state, the temperature T 2 is less than T 1 by 1-3 ° C, which indicates the presence in this design variant of the temperature difference between the medium and the housing in the static. In the dynamic mode, the maximum value of X O on 5-9 ° C above the temperature established at the end of the transient caused by an abrupt increase in the setpoint temperature controller. There is also a pre-emptive output signal X o , which can be used to timely suppress the emergency state of the object.

Как пояснено приведенными примерами, использование предлагаемых технических решений повышает информативность ТС за счет возможности измерения температур среды и стенки помещения (аппарата) в статике и выраженного упреждающего сигнала, учитывающего скорость изменения температурных условий, в динамике, что свидетельствует также о повышении чувствительности ТС. Положительный результат, производный от достигнутого, заключается в возможности использования выходного сигнала, скорректированного по скорости изменения температурных условий, для формирования дифференциальной составляющей соответствующей системы автоматического управления контролируемым процессом. Достигнута также возможность миниатюризации узла информационной микросхемы за счет изготовления ее с использованием описанной микротехнологии.As explained by the above examples, the use of the proposed technical solutions increases the information content of the vehicle due to the possibility of measuring the temperature of the medium and the wall of the room (apparatus) in statics and a pronounced anticipatory signal that takes into account the rate of change of temperature conditions in dynamics, which also indicates an increase in the sensitivity of the vehicle. A positive result, derived from the achieved, lies in the possibility of using the output signal, adjusted for the rate of change of temperature conditions, to form the differential component of the corresponding automatic control system for the controlled process. The possibility of miniaturization of the node of the information microcircuit due to its manufacture using the described microtechnology was also achieved.

Таблица 1
Результаты испытания ТС с информационной микросхемой к примеру 1
Table 1
Test results of a vehicle with an information chip for example 1
Начальные значения температур, °СInitial temperature, ° С Установившееся значение температуры среды по окончании переходного процесса, °СThe steady-state temperature at the end of the transition process, ° C Максимальное значение Хвых в переходном процессе, °СThe maximum value of X o in the transition process, ° C регулируемое в средеadjustable in the environment T1 T 1 T2 T 2 20twenty 20±120 ± 1 19±119 ± 1 50fifty 6666 3535 35±135 ± 1 33,5±133.5 ± 1 6565 7474 50fifty 50±0,550 ± 0.5 49±0,549 ± 0.5 8080 9292 100100 97±197 ± 1 95±195 ± 1 130130 140140 150150 147±2147 ± 2 144±2144 ± 2 180180 190190 250250 246±2246 ± 2 242±2242 ± 2 280280 292292 Таблица 2
Результаты испытания ТС с информационной микросхемой к примеру 2
table 2
Test results of a vehicle with an information chip for example 2
Начальные значения температур, °СInitial temperature, ° С Установившееся значение температуры среды по окончании переходного процесса, °СThe steady-state temperature at the end of the transition process, ° C Максимальное значение Хвых в переходном процессе, °СThe maximum value of X o in the transition process, ° C регулируемое в средеadjustable in the environment T1 T 1 T2 T 2 20twenty 20±120 ± 1 19±119 ± 1 50fifty 5656 3535 35±135 ± 1 34±134 ± 1 6565 7070 50fifty 50±150 ± 1 49±149 ± 1 8080 8888 100100 97±297 ± 2 95±295 ± 2 130130 139139 150150 147±2147 ± 2 145±2145 ± 2 180180 188188 250250 246±3246 ± 3 243±2243 ± 2 280280 286286

Claims (3)

1. Термоизмерительная система, содержащая информационную микросхему и внешнюю измерительную цепь, в которой информационная микросхема включает основание, прикрепленные к основанию малоинерционный и инерционный термочувствительные элементы на основе терморезисторов, смонтированных на подложке из твердого тела с возможностью измерения температуры среды и стенки контролируемого помещения соответственно, и электрические выводы для подключения термочувствительных элементов к внешней измерительной цепи, а внешняя измерительная цепь оснащена блоком сравнения и блоком индикации, причем малоинерционный термочувствительный элемент связан с первым входом блока сравнения, а инерционный термочувствительный элемент связан со вторым входом блока сравнения, отличающаяся тем, что в качестве подложки терморезисторов использован полупроводниковый материал, во внешней измерительной цепи дополнительно установлены сумматор и первый и второй усилители-преобразователи, малоинерционный термочувствительный элемент подключен к первому входу блока сравнения и к первому входу сумматора через первый усилитель-преобразователь, инерционный термочувствительный элемент подключен ко второму входу блока сравнения через второй усилитель-преобразователь, выход блока сравнения подключен ко второму входу сумматора, выход сумматора связан с входом блока индикации непосредственно или через коммутатор.1. A temperature measuring system comprising an information microcircuit and an external measuring circuit in which the information microcircuit includes a base attached to the base with low inertia and inertia thermosensitive elements based on thermistors mounted on a solid substrate with the ability to measure the temperature of the medium and the walls of the controlled room, respectively, and electrical leads for connecting thermosensitive elements to an external measuring circuit, and the external measuring circuit is equipped with a comparison unit and an indication unit, wherein the low-inertia thermosensitive element is connected to the first input of the comparison unit, and the inertial heat-sensitive element is connected to the second input of the comparison unit, characterized in that a semiconductor material is used as a substrate for the thermistors, an adder and a first are additionally installed in the external measuring circuit and the second amplifier-converters, a low-inertia thermosensitive element is connected to the first input of the comparison unit and to the first input of the sum the matora through the first amplifier-converter, the inertial thermosensitive element is connected to the second input of the comparison unit through the second amplifier-converter, the output of the comparison unit is connected to the second input of the adder, the output of the adder is connected to the input of the display unit directly or through a switch. 2. Термоизмерительная система по п.1, отличающаяся тем, что блок индикации выполнен трехканальным, при этом выход сумматора связан с первым входом блока индикации, выход первого усилителя-преобразователя дополнительно подключен ко второму входу блока индикации, а выход второго усилителя-преобразователя дополнительно подключен к третьему входу блока индикации.2. The temperature measuring system according to claim 1, characterized in that the display unit is made of three channels, wherein the adder output is connected to the first input of the display unit, the output of the first amplifier-converter is additionally connected to the second input of the display unit, and the output of the second amplifier-converter is additionally connected to the third input of the display unit. 3. Способ изготовления информационной микросхемы для термоизмерительной системы, предусматривающий формирование терморезисторов малоинерционного и инерционного термочувствительных элементов на подложке, выполненной из твердого тела, прикрепление термочувствительных элементов к основанию микросхемы и присоединение термочувствительных элементов к электрическим выводам для подключения к внешней измерительной цепи, отличающийся тем, что терморезисторы формируют нанесением терморезистивного слоя на подложку из полупроводникового материала с последующим микропрофилированием этого слоя, выполнением металлизированных контактных площадок и их подключений к соответствующим термочувствительным элементам, при этом участок подложки по месту расположения терморезистора малоинерционного термочувствительного элемента удаляют или вытравливают в нем глухое отверстие, далее термочувствительные элементы прикрепляют к основанию и присоединяют контактные площадки к электрическим выводам, вмонтированным в основание микросхемы.3. A method of manufacturing an information chip for a temperature measuring system, comprising forming thermistors of low inertia and inertia thermosensitive elements on a substrate made of a solid body, attaching thermosensitive elements to the base of the microcircuit, and attaching thermosensitive elements to electrical terminals for connecting to an external measuring circuit, characterized in that thermistors are formed by applying a thermoresistive layer to a semiconductor substrate material, followed by microprofiling of this layer, making metallized contact pads and connecting them to the corresponding heat-sensitive elements, while the substrate section at the location of the thermistor of the low-inertia heat-sensitive element is removed or etched in it a blind hole, then the heat-sensitive elements are attached to the base and the contact pads are connected to electrical conclusions mounted in the base of the chip.
RU2004112110/28A 2004-04-20 2004-04-20 Thermometer system and method for manufacturing data integrated circuit for thermometer system RU2247442C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2004112110/28A RU2247442C1 (en) 2004-04-20 2004-04-20 Thermometer system and method for manufacturing data integrated circuit for thermometer system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2004112110/28A RU2247442C1 (en) 2004-04-20 2004-04-20 Thermometer system and method for manufacturing data integrated circuit for thermometer system

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2247442C1 true RU2247442C1 (en) 2005-02-27

Family

ID=35286404

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2004112110/28A RU2247442C1 (en) 2004-04-20 2004-04-20 Thermometer system and method for manufacturing data integrated circuit for thermometer system

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2247442C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111164414A (en) * 2017-10-02 2020-05-15 皇家飞利浦有限公司 Infrared detector assembly with integrated temperature sensing, gas measurement device and method

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111164414A (en) * 2017-10-02 2020-05-15 皇家飞利浦有限公司 Infrared detector assembly with integrated temperature sensing, gas measurement device and method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6508585B2 (en) Differential scanning calorimeter
US8449177B2 (en) Vacuum sensor
US5798684A (en) Thin-film temperature sensor
JPS61124859A (en) Humidity detection element
EP2762867A1 (en) Gas sensor with temperature control
JP5476114B2 (en) Temperature measuring device
CN105424749B (en) Catalytic combustion type gas sensor
EP3062077B1 (en) Multi-sensor assembly
JPH1123338A (en) Thermosensitive flow-rate detecting element and flow-rate sensor using the same
KR100613170B1 (en) Temperature measuring device, semiconductor package and cooling system using matrix switch
WO2016202971A1 (en) Heat flux sensor and system with a heat flux system
JP2016170014A (en) Temperature difference measurement device
JPH0244211A (en) Flow sensor
RU2247442C1 (en) Thermometer system and method for manufacturing data integrated circuit for thermometer system
Prasad Design, development and reliability testing of a low power bridge-type micromachined hotplate
US7812705B1 (en) High temperature thermistor probe
EP1873499A1 (en) Thermal flow sensor for high flow velocities
CN109211342A (en) Airflow flowmeter, MEMS silicon-based temperature-sensitive chip and preparation method thereof
JP2016535274A (en) Sensor for detecting oxidizable gas
JP2022139173A (en) flow sensor chip
JP2002016117A (en) Semiconductor wafer provided with processing temperature measuring method and temperature measuring method of semiconductor wafer
EP1215484A2 (en) Differential scanning calorimeter
Kasai et al. Improvement of thermal‐type MEMS flow sensor chip via new process of silicon etching with sacrificial polycrystalline silicon layer
KR101386594B1 (en) Implantable temperature sensor for micro device and method for manufacturing thereof
JP2016061592A (en) Catalytic combustion type gas sensor

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20080421