Спосіб виготовлення матриці терморезистивних перетворювачів

Реферат: Спосіб виготовлення матриці терморезистивних перетворювачів включає формування діелектричної плівки шляхом нанесення шару діоксиду кремнію, потім шару нітриду кремнію та термочутливого металевого шару та його рисунку, анізотропне витравлення підкладки кремнію, формування рисунку матриці мікромостів, формування вікон навколо матриці мікромостів травленням і формують локально шар окислу кремнію. UA 76885 U (12) UA 76885 U UA 76885 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до вимірювальної техніки і може бути використана у виготовленні датчиків для визначення в реальному часі декількох фізичних величин. Визначення таких параметрів як температура, вологість, вміст окису вуглецю, кисню, аміаку, сірководню та теплового потоку вимагається контролювати одночасно, як у мобільних системах моніторингу умов утримання біологічних об'єктів сільськогосподарського призначення, так і у біотехнічних системах сільськогосподарського призначення для побудови адаптивних систем керування мікрокліматом. Відомий спосіб виготовлення матриці інтегральних перетворювачів (Амеличев В.В., Буданов В.М., Гусев Д.В. и др. Разработка и создание опытных образцов искусственных тактильных механорецепторов для эндоскопии. - Нано- и микросистемная техника № 2, 2009 г. - С. 30-33), який включає базові технологічні процеси об'ємної обробки підкладки з кремнію, що дозволяють створити двомірну матрицю чутливих елементів, а саме десять фотолітографічних циклів, один з яких виконується на зворотній стороні кремнієвої пластини, окислення підкладки та дифузійних процесів формування чутливих елементів та анізотропного хімічного травлення для формування мембрани, на якій формується тензорезистивний перетворювач. Даний спосіб дозволяє реалізувати головну функцію перетворення локальних тисків працюючих виключно на тензоризистивному ефекті і не передбачає використання терморезистивних принципів перетворення таких, як калориметричний, часо-пролітний або термоанемометричний. Мембрана, яка формується за допомогою способу, складається з залишкового кремнію та оксиду кремнію, має велику термічну масу та слабку термічну ізоляцію мембрани від підкладки, що робить проблематичним використання терморезистивних принципів перетворення на мембрані, сформованої за даним способом. Другий відомий аналог - спосіб виготовлення терморезистивного перетворювача (Патент США №4624137,1986р., МКВ G01F 1/68), у якому термочутлива плівка формується шляхом нанесення на кремнієву підкладку діелектричної та металічної плівок з наступним формуванням рисунка термоперетворювача та анізотропним травленням кремнію під плівкою. Травлення відбувається з боку фотолітографії. Для цього способу характерне зменшення міцності плівки мембрани, що є наслідком різниці термічних коефіцієнтів матеріалів діелектричної плівки та кремнію, і що призводить при виконанні технологічної операції - анізотропне травлення до механічного ушкодження терморезистивного перетворювача. Використання даного способу для формування матриці терморезистивних перетворювачів внаслідок можливості механічного ушкодження приведе до зниження відсотку виходу придатної продукції та потребує спеціальних технічних рішень для вибіркового використання придатних перетворювачів в матриці, що призводить до невиправданого схемотехнічного ускладнення. Сформована за даним способом мікроелектромеханічна структура призначена тільки для визначення одного фізичного параметру, тобто спосіб функціонально обмежений, для формування матриці мікроелектромеханічних структур призначеної для визначення декількох фізичних параметрів, наприклад, встановлення складу газової суміші. На практиці у подібному випадку використовують окремі датчики для визначення "окремих складових суміші, що знижує рівень інтеграції мобільних систем. Як найближчий аналог вибраний найбільш близьким по технічній суті та за сукупністю ознак спосіб виготовлення терморезистивного перетворювача (Патент Російської Федерації №2085874, опублікований 27.07.97 р., Бюл. №21, МКВ G01K 7/16, G01F 1/68, G01J 5/20). В цьому способі на підкладці з кремнію формують діелектричну плівку шляхом парогазового нанесення шару нітриду кремнію товщиною 0,1 мм, шар двоокису кремнію товщиною 0,05-0,1 мкм та термочутливий металевий шар, а також рисунок останнього, та анізотропно травлять підкладку для отримання мікромоста (мембрани). Недоліками цього способу є недостатній тепловий опір на ділянці підкладка кремнію мікромост. В наслідок цього в активному режимі терморезистивного перетворювача за рахунок нагрівача, рисунок якого формується в термочутливому металевому шарі, частина омічного тепла нагрівача проникає в підкладку і викликає підігрів підкладки. Підігрів підкладки відповідно є джерелом виникнення теплової завади та заважає коректному визначенню параметрів вимірювального сигналу, наприклад, при вимірюванні густини газів по фазових характеристиках теплової хвилі. За результатами теоретичних досліджень встановлено, що до 20 % теплообміну може відбуватись по каналу підкладка - мікроміст (Борисов О.В., Заворотний В.Ф., Лупина Б.І. та ін. Спосіб вимірювання густини газів за фазовими характеристиками теплової хвилі. - Вісник Черкаського державного технологічного університету. - Спецвипуск, 2007р., МНТК "Датчики, прилади та системи-2007" - С. 161-163). Наявність кондуктивного каналу теплообміну істотно обмежує використання способу для формування матриці терморезистивних перетворювачів. Використання відомого рівня техніки для досягнення технічної прогресивності - збільшення 1 UA 76885 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 теплового опору за рахунок геометрії мікромоста, приводить до втрати вже досягнутих технічних характеристик: так збільшення площі поперечного перетену зменшує швидкодію перетворювача, а збільшення довжини ділянки теплового ланцюга загрожує втратою механічної міцності мікромоста. Задоволення існуючої потреби у способі формування матриці терморезистивних перетворювачів можливо у разі досягнення мети корисної моделі - зменшення кондуктивного теплообміну між мікромостом та підкладкою. Це досягається тим, що в способі - найближчому аналозі, що включає формування на кремнієвій підкладці діелектричної плівки з шарів двоокису кремнію товщиною 0,05-0,1 мкм та нітриду кремнію товщиною 0,1 мкм, на яку напилюють термочутливий металевий шар, а також формують рисунок останнього і виконують анізотропне травлення підкладки для отримання мікромоста, за допомогою способу, що пропонується, після нанесення нітриду кремнію формують рисунок мікромоста формують локально шар двоокису кремнію товщиною 1,0-1,5 мкм. В основу корисної моделі поставлена задача створити спосіб формування мікромоста з малим кондуктивним теплообміном між мікромостом та підкладкою без втрати технічних характеристик мікромоста-швидкодії та механічної міцності, що властиві мікромоста, сформованому за способом-прототипом, та створити одночасно термоізолюючий шар між мікромостами в матриці з терморезистивних перетворювачів. Поставлена задача вирішується шляхом формування рисунка мікромоста в шарі нитріда кремнію та формування локального шару двоокису кремнію, що є необхідною та достатньою умовою для відтворення способу. Новим є те, що за рахунок локального шару двоокису кремнію формується: - термоізолюючий шар з кращими ізоляційними властивостями; - термічна маса ізолюючого шару за рахунок геометрії ізоляційного шару значно перевищує термічну масу мікромоста, що створює умови для покращення динамічних характеристик мікромоста; - в каналі кондуктивної теплопередачі мікроміст-підкладка відсутній кремній (питома електропровідністю 4,5 Ом см), і за рахунок шару оксиду кремнію (питома електропровідність 14 10 Ом см) виникає додатковий тепловий опір; - створюються умови для формування матриці мікромостів з використанням терморезистивного перетворення за рахунок збільшення термічної ізоляції між мікромостами; створюються умови для подальшої інтеграції терморезистивних перетворювачів, за допомогою яких визначатимуть одночасно декілька параметрів довкілля. Аналіз загальновідомих джерел інформації доводить, що запропоноване технічне рішення невідоме з рівня техніки, що є доказом відповідності цього рішення критерію "новизна". Новим є підсилення термоізоляції мікромоста та створення умов для формування матриці мікромостів та, відповідно, створення сенсорного масиву терморезистивних перетворювачів. Результат досягається за рахунок того, що при виконанні операції локального окислення формується термоізоляція мікромоста за рахунок збільшення термічної маси та за рахунок електрофізичних характеристик оксиду кремнію. На кресленні зображено поперечний переріз терморезистивного перетворювача отриманого за пропонованим способом. Прийняті позначки на кресленні: підкладка 1, ізолюючий окисел 2, двоокис кремнію 3, нітрид кремнію 4, вікно для локального травлення підкладки 5, термочутливий шар 6. На підкладці кремнію 1 шляхом термічного окислення формується плівка двоокису кремнію 3 товщиною 0,05-0,1 мкм. Шляхом парогазового осадження формується діелектрична плівка нітриду кремнію - 4 товщиною 0,1 мкм. За допомогою фотолітографічного циклу та плазмохімічного травлення формують вікна в плівці нітриду кремнію та формують ізолюючий окисел - 2 товщиною 1,0-1,5 мкм. Потім формують термочутливий елемент - 6, який виготовлений з нікелю товщиною 0,1-0,2 мкм. Після проведення фотолітографії та відкриття вікон 5 та наступного проведення анізотропного травлення з зворотного боку отримаємо потрібні мікроелектромеханічні структури. Товщина ізолюючого окислу 1,0-1,5 мкм вибрана з умови, що при проведенні окислення при температурі 1100 °C відбудеться проокислення підкладки на глибину 0,3-0,5 мкм і, таким чином, при виконанні анізотропного травлення з зворотного боку буде видалено ділянки кремнію, які створювали раніше канали для кондуктивного теплообміну між мікромостом та підкладкою, а замість кремнію залишиться шар ізолюючого двоокису кремнію і, таким чином, відбудеться діелектрична ізоляція мікромоста від підкладки. 60 2 UA 76885 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 Спосіб виготовлення матриці терморезистивних перетворювачів, що полягає у тому, що формують на підкладці з кремнію діелектричну плівку шляхом нанесення шару діоксиду кремнію товщиною 0,05-0,1 мкм, потім шар нітриду кремнію товщиною 0,1 мкм та термочутливий металевий шар, а також рисунок останнього, та анізотропно витравлюють підкладку кремнію до товщини мікромоста, який відрізняється тим, що після нанесення нітриду кремнію формують рисунок матриці мікромостів, травленням формують вікна навколо матриці мікромостів і формують локально шар окислу кремнію товщиною 1,0-1,5 мкм. Комп’ютерна верстка Л. Купенко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3