Разработка конструкции и технологии микроэлектронных приборов точного измерения параметров газовых сред

Достижения микроэлектроники, положившие начало современной информационной революции, основывались на использовании единственного базового материала — монокристаллического кремния. В его изучение вложены огромные средства, и помимо электрических полупроводниковых, выявлены ценные в практическом отношении механические, пъезорезистивные, химические свойства этого материала, его оксида, нитрида и силицидов. Это привело к возникновению нового направления — микромеханики, изделия которой выполняют механо — электрические функции, и потому получили название механоэлектрических микросистем (МЭМС). Была разработана их серия: микроклапаны, микронасосы, пьезоприводы, гироскопы, но наибольшее развитие получило производство датчиков — пьезорезистивных сенсоров давления и акселерометров. При этом процесс миниатюризации не встретил принципиальных затруднений в виде новых размерных эффектов и потому потребовал главным образом решения чисто технологических задач, чего нельзя сказать о большой группе сенсоров, основанных на тепловых эффектах: термоанемометрах, катарометрах, пелисторах, вакуумметрах Пирани, и даже простых термометрах. И это несмотря на наличие прибора, напрямую преобразующего тепло в электрический сигнал и обратнотерморезистора. Выяснилось, что простой перенос методик тепловых измерений из макров микрообласть невозможен, т.к. при этом не исключено проявление размерного эффекта в виде смены механизма.

Объектом настоящей работы выбраны газы, играющие огромную роль в жизнедеятельности человека и подавляющем большинстве технических устройств. Поэтому при измерении их параметров с помощью МЭМС необходимо учитывать и аэродинамические особенности сенсора, чему до сих пор не отводилось должного внимания.

На ранних этапах массового производства МЭМС основные усилия были направлены на повышение воспроизводимости параметров чувствительных элементов (ЧЭ), с тем, чтобы избежать необходимости индивидуальной калибровки. Считалось даже, что этим почти целиком определялась жизненность прибора. Однако, разброс геометрических и физических характеристик не удавалось снизить до требуемых пределовон даже возрастал по мере миниатюризации.

Выход был найден после того, как получили массовое распространение микропроцессоры и появилась возможность вводить их в схему каждого прибора. В результате подстройка параметров (в случае терморезисторов — сопротивления и ТКС) стала осуществляться автоматически. Таким образом, микроэлектроника открыла дорогу для миниатюризации сенсоров и становления сенсороэлектроники.

Кроме того, микроэлектроника имела разработанную для массового производства постоянных резисторов групповую тонкои толстопленочную технологии. Но производство терморезисторов требовало дополнительного точного контроля ТКС, значение которого зависит от многих факторов и может изменяться при эксплуатации, и этот дрейф не может учесть схемный микропроцессор. В результате точность прибора снижается непредсказуемым образом. Преодолеть этот недостаток платиновых тонкопленочных терморезисторов, широко используемых в приборостроении, не удалось даже ведущим фирмам США, Германии, Японии.

Микроэлектроника и в этом случае подсказывает радикальное решениепереход на монокристаллический кремний, в котором нет границ зерен, невозможны сегрегация и рекристаллизация, и потому он более стабилен, чем любой поликристаллический материал. Конечно, это было известно давно, однако не было найдено конструктивно — технологического решения, которое позволило бы реализовать в полной мере преимущества полупроводника, способные компенсировать его дороговизну и дефицитность, а также затраты, связанные с переходом на нетрадиционные для резисторостроения технологии.

Коллективом кафедры МПТЭ была разработана конструкция, в которой используется весь комплекс специфических особенностей монокристаллического кремния. Был изготовлен оригинальный терморезистор (двойного назначениямикронагреватель и термометр сопротивления), тело которого имеет размеры, не превышающие 100 мкм. Была впервые достигнута трехмерная миниатюризация и сосредоточение тепловыделения в точке (отметим, что типографская точка имеет диаметр более 200 мкм). Сразу же была обнаружена аномалия теплоотдачи, названная эффектом гигантской теплоотдачи. Однако, долгое время природа его оставалась неясной, как и роль, которую он способен сыграть в тепловых МЭМС.

Поэтому была поставлена цель теоретического изучения этого эффекта и сопровождающих его явлений, разработки модели и создания на новой основе ряда тепловых МЭМС следующего поколения.

Помимо чисто практического значения решение задачи миниатюризации тепловых сенсоров, пригодных для точных, скоростных измерений при длительной эксплуатации, содержит перспективу расширения теоретических представлений в теплотехнике, которая до сих пор не имела средств для таких измерений.

Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:

— разработать методики эксперимента и выполнить измерения параметров, необходимые для создания модели;

— используя уравнение Фурье и кинетическое уравнение Больцмана обосновать эффект гигантской теплоотдачи;

— на основании модели определить практически значимые следствия этого эффекта и выполнить экспериментальную проверкуразработать конструкции термоанемометра, катарометра и термокондукционного миниатюрного газоанализатора;

— в соответствии с требованиями заказчиков изготовить опытные образцы и провести их метрологические испытания.

Научная новизна.

1. На основании решений уравнений Фурье и Больцмана дано возможное теоретическое обоснование эффекта гигантской теплоотдачи телами субмиллиметровых размеров.

2. Предложена физико — матеметическая модель теплопроводности плотных газов в условиях высокого температурного градиента.

3. Показано, что в условиях высокого температурного, проявляется существенная неравновесность, служащая причиной частичной упорядоченности в явлениях переноса.

4. Предсказаны и обнаружены экспериментально особенности газовых сред, проявляющиеся в тепловом пограничном слое микронагревателя: аномальная температурная зависимость коэффициента теплопроводности, термофорез, конвективная устойчивость и ламинаризирующая поток способность.

Практическая ценность.

Разработаны принципиально новые конструкции измерительных приборов.

1. Прецизионный термоанемометр для малых расходов.

2. Измеритель массового расхода воздуха для двигателей автомобилей.

3. Измерительная часть системы обнаружения мест утечки осушенного воздуха в магистральных телефонных кабелях.

4. Термокондукционный миниатюрный газоанализатор.

5. Катарометр для хромотографов.

Метрологические испытания выполнены у заказчиков:

ОАО НПО «ХИМАВОМАТИКА» ИЦ «Хроматография»,.

ФГУП «АНАЛИТПРИБОР»,.

ОАО «Грамеком»,.

ЗАО НПЦ «Лазеры и аппаратура ТМ».

Приводятся акты внедрения.

Положения, выносимые на защиту.

1. Использование базового материала микроэлектроники, групповой технологии производства чувствительных элементов термосенсоров, микропроцессорной обработки выходного сигнала позволяет создать новое эффективное средство для изучения тепловых процессов в микросистемах.

2. Пограничный тепловой слой, окружающий микронагреватель, вследствие высокого температурного градиента структуризируется, и типичное для плотных газов в обычном состоянии хаотическое движение преобразуется в частично упорядоченное.

3. Следствиями (и дополнительными доказательствами) предложенной модели служат явления термофореза, конвективной устойчивости и детурбулизации, обнаруженные экспериментально.

4. Нанообъемный терморезистор — микронагреватель обладает по сравнению с традиционными проволочными и тонкопленочными конструкциями комплексом преимуществ, подтвержденных в испытаниях и при эксплуатации опытных образцов термоанемометров, катарометров и газоанализаторов.

Апробация работы.

Основные результаты работы обсуждены на 12-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика — 2005» (Москва, 2005 г.), Second International Conference on Transport Phenomena in Micro and Nanodevices. II Ciocco Hotel and Conference Center (Barga, Italy, 2006), 13-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика — 2006» (Москва, 2006 г.), THERMES 2007: Thermal Chelenges in Next Generation Electronic Systems, (USA, 2007), 14-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика — 2007» (Москва, 2007 г.), Всероссийском конкурсном отборе инновационных проектов молодых ученых, аспирантов и студентов в рамках научно-технической конференции «Электроника — 2007» (Москва, 2007 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ и 1 научно-технический отчет по НИР.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ

Диссертация состоит из введения, пяти основных глав с выводами, общих выводов, заключения, списка использованных источников из 75 наименований и приложения. Основное содержание диссертации изложено на 103 страницах и содержит 51 рисунка и 12 таблиц.

Общие выводы по работе.

1. Анализ состояния исследований теплопередачи в газообразных микросистемах показал, что вследствие отсутствия адекватных метрологических средств в этой области превалируют традиционные представления, как правило, исключающие возможности изменений механизма, и проявления размерных эффектов.

2.Решение уравнения Фурье в сферических координатах оказалось недостаточным для объяснения эффекта гигантской теплоотдачи в условиях, далеких от равновесия.

3.Предложена модель теплопроводности плотных газов в микросистемах.

4.Приближенное численное решение кинетического уравнения Больцмана показало наличие разности компонентов тензора температуры молекул по осям X и Y в условиях высокого температурного градиента вблизи нагревателя большой кривизны, свидетельствующей о наличии частичной упорядоченности теплового движения молекул.

5.Предложенная модель получила многочисленные экспериментальные подтверждения в виде следующих эффектов, предсказанных, исходя из теоретических представлений:

— необычное для тепловых приборов быстродействие;

— аномально высокая температурная зависимость локального коэффициента теплопроводности;

— конвективная устойчивость теплового пограничного слоя;

— термофорез в плотном газе;

— тепловая детурбулизация потоков.

6.Исключительная структурная стабильность материала позволяет в полной мере использовать возможности современных средств цифровой обработки сигналов, обеспечивающих преимущества нанообъемных чувствительных элементов в тепловых МЭМС.

7.Полностью разработаны и изготовлены опытные образцы термоанемометров различного назначения, детекторов хроматографов, оригинальных термокондукционных газоанализаторов, испытанных и применяемых ведущими предприятиями.

Заключение

.

Выполненное экспериментальное и теоретическое исследование теплопередачи в микросистемах свидетельствует о перспективности микротеплотехники, как нового направления прикладной науки. Его дальнейшее развитие связано прежде всего с уменьшением размеров чувствительного элемента еще в несколько раз, чему нет ограничений ни по технологии, ни по точности измерения температуры и мощности. Такое приближение к кнудсеноской границе способно более четко определить характер зависимости теплопроводности от параметров среды и тем самым углубить представление о механизме теплопередачи в переходном режиме.

Потребности техники будут стимулировать прогресс математической физики по части решения кинетического уравнения Больцмана, которое только и может дать прямое доказательство предложенной модели. Обнаруженный эффект целесообразно рассмотреть и с иных позиций — неравновесной термодинамики и синергетики, так как упорядоченность вследствие сильной неравновесности является одним из основных постулатов этих дисциплин.

Что касается применения, то помимо совершенствования уже имеющихся приборов планируется разработка следующих МЭМС:

— времяпролетные термоанемометры;

— наклономеры;

— болометры;

— резонансные прецизионные датчики параметров газовых сред;

— вакуумметры;

— датчики близости и возможно иные, основанные на том же принципе и конструкции ЧЭ, приборы.

Опытные партии ЧЭ производились далеко не в идеальных условияхпо мере расширения применения будут созданы специализированные технологические линейки, обеспечивающие не только повышение качества при снижении себестоимости, но и усовершенствование конструкции прежде всего за счет интеграции на кристалле аналоговой части первичной обработки сигнала.