2. Термоанемометрыснагревателемизполикристаллическогокремния

Технологиямикросистемнойтехникипозволяетсоздаватьтермо-анемометры,которыеимеютширокийдиапазонизмерений,обладаютмалойтепловойинерциейиневысокимэнергопотреблением,имеютнизкуюстоимость.Такиетермоанемометрынеобходимыдляпострое-ниябытовыхсчетчиковгаза,которыедолжныизмерятьрасходвши-

рокихпределах:8,310^7...8,310^4м3/с

^{3...3000л/ч}^.

Припостроенииподобныхрасходомеровоказалосьчрезвычайноэффективнымприменениеполикристаллическогокремниявкачестве

материаладлянагретойнити.Легированныйполикристаллическийкремний,полученныйметодомпиролизасилана(см.часть1учебногопособия,подпараграф1.2.6)принизкомдавлении,представляетудоб-ныйконструкционныйматериал,чьеудельноесопротивлениеиТКСможноменятьвширокихпределах.Вдобавокпроизводствонагревате-ляизполикремнияпрекрасновписываетсявтехнологиюизготовленияинтегральнойсхемы,котораясоздаетсяначипетермоанемометрадляуправленияегоработой.

Варианттермоанемометрасполикремниевымнагревателемприве-

денвработе[3.4],краткиесведения,изкоторойсообщаютсядалее.

Конструкциятермоанемометрасхематическипредставленанарис.3.5.Поликремниевыйнагревательнаходитсянатонкомслоедву-окисикремния(слой1),которыйодновременнослужиттермическимиэлектрическимизолятором.Сверхунагревательпокрытзащитным

слоем

SiO₂

(слой2),ослабляющимвлияниевлагиидругихсостав-

ляющихгазовойсредынапроводимостьнагревателя.Длядополни-

тельнойтермоизоляцииподнагревателемсформированоуглубление,которое,крометого,способствуетулучшениюконвективноготепло-обмена.Нарис.3.5показанорасположениенагревателяотносительноуглубленияидаютсяегонекоторыегеометрическиеразмеры.

1 ₂

0,24мм

3

0,09мм

Рис.3.5.Расположениенагревателярасходо-мераотносительноуглубления:

1–контактнаяплощадка;2–нагреватель;

3–крайуглубления

Процессизготовлениясенсораначинаетсясосажденияслоянитри-

дакремния

Si₃N₄

толщиной0,05мкм(LPCVD-процесс,см.часть1

учебногопособия,подпараграф1.2.6,и[3.5])наобестороны(100)n-кремниевойпластины.Нитридкремниянаобратнойсторонеиграетрользащитноймаскиприанизотропномтравлении.Далеенапланар-

^{нуюсторонупластиныосаждаетсяслойSiO}₂

приатмосферномдавле-

нии(APCVD-процесс,см.[3.5]),толщиной0,8мкм,которыйзатемот-

жигаетсявтечение1ч.Двухслойнаяпленка

SiO_2Si₃N₄

нетолько

играетрольтеплоизоляторадлянагревателя,ноипредохраняетегооткоробленияпослеоперациианизотропноготравления,ослабляярольвнутреннихтермомеханическихнапряжений.

Наследующемэтапетехнологическогопроцессанаверхнийслой

SiO₂

осаждаетсяполикристаллическийкремнийтолщиной0,84мкм

(пиролизсилана,LPCVD-процесс).Необходимыйуровеньлегирования

поликремнияобеспечиваетсятермическойдиффузиейфосфорасот-жигомвтечение1ч.Фотолитографияпополикремниювсочетаниисплазмохимическимтравлениемпозволяетсформироватьтелонагрева-

теля,котороезатемпокрываетсяслоемпассивирующего

SiO₂

толщи-

ной0,4мкм.Процесспроводитсяприатмосферномдавлении(APCVD-процесс).

Контактныеокнанагревателяоткрываютсяприпомощифотолито-графииитравлениемSiO_2вплавиковойкислотеHF.

Дляформированияуглубленияподнагревателемоткрывалисьокна

впленке

SiO_2Si₃N₄

плазмохимическимтравлением.Самоанизо-

тропноетравлениепроводилосьвводномрастворегидроксидатетра-

метиламмониябину100мкм.

(CH_3)4NOH[3.6]приt70C

втечение10чнаглу-

Врезультатетравленияполикремниевыйнагреватель«повисает»в

воздухе,сохраняя,однако,целостностьиустойчивостькмеханиче-скимвоздействиямзасчетсоединениясподложкойвобластиконтак-тов.Ширинанагревателясоставляет10мкм,длина–1мм,приобщихразмерахчипасенсора110,3мм.

Сформированныйтакимобразомнагревательимелобщеесопро-

тивление1,83Оми

TКC1,110^3К1.Хорошаятермоизоляцияна-

гревателяобеспечивалаегоперегревотносительноокружающейсре-

дына80Спримощностивсего6мВт.Нарис.3.6показаназависи-мостьвыходногосигнала(изменениенапряжениянанагревателе)врежимепостояннойтемпературы(постоянногосопротивления).

Изменениенапряжения,В

0,04

0,03

0,02

0,01

0

R=const

0 ^0,2 0,4 0,6 ^0,81,0

u_ср,м/c

0,7

Изменениенапряжения,В

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0

R=const

0 10 20 30 ⁴⁰

^uср^,м/c

а б

Рис.3.6.Преобразовательнаяхарактеристикасенсорапотокагаза:

а–малаяскоростьгаза;б–большаяскоростьгаза

Дляизмеренийчипстермоанемометромприсоединялсякстек-

ляннойпластинкеразмером10100,5мм

ипомещалсявцентре

трубыдлиной2мидиаметромот20до50ммтак,чтобыпотокгазадвигалсяпараллельноповерхностиполикремниевогонагревателя.Средняяскоростьпотокаобеспечиваласьвдиапазоне0...35м/с.Сен-

соргазовогопотокасполикремниевымнагревателемпозволяетде-лать измерениявширокомдиапазонескоростей0,005...35м/с,что

выгодноотличаетегоотдругихтиповсенсоровпотокагаза.Всоот-

ветствиистеориейвыходнойсигналпропорционаленUSu

(см.

3.28),поэтомукоэффициентSимеетразмерность

B/^мс^10,5.Для

рассматриваемогосенсораонравен

S22В/^мс^10,5.Присредней

скоростигазабольше10м/снавыходнойхарактеристикенаблюдает-сяизлом(рис.3.6,б),чтосвидетельствуетобизменениирежимате-чениягазаиовозросшемвкладетурбулентности.Небольшаямассанагревателяиегохорошийтеплообменобеспечиваютмалуютепло-вуюинерционностьсенсора.Времяреакциинаизменениевеличиныпотокасоставилонеболее0,14мс.