Проектирование математической модели термопарного сенсора электромагнитного излучения

Техническое задание

1.  Назначение: предназначен для измерения плотности электромагнитного излучения.

2.  Размер чипа не более 10x10 мм.

3.  Структура чипа – должна содержать две консольные балочки с термопарами (одна измерительная, другая компенсирующая) на общем основании.

4.  Термопары – поликремний p и n типов (алюминий - поликремний).

5.  Плотность потока излучения: ≤ 1Вт/м².

6.  Диапазон температур: 20÷40⁰C.

Содержание

1.  Введение. Принцип работы и аналоги

2.  Конструктивное решение

3.  Проектирование топологии сенсора

4.  Описание технологии изготовления

5.  Электронная схема обработки сигнала

6.  Заключение

7.  Литература

1.  Введение. Принцип работы и аналоги.

Широкое распространение методов контроля и управления в современной технике поставило вопрос о массовом применении первичных измерительных преобразователей - сенсоров, т.е. приборов, обеспечивающих поступление информации в виде электрических сигналов от контролируемых объектов в электронные управляющие системы. Следствием этого явилось возникновение и бурное развитие сенсорной электроники. При этом, в большинстве случаев, проблема создания новых устройств в этой области ведется на основе твердотельных приборных структур, созданных с использованием микроэлектронной технологии. Их действие основано на целом наборе физических эффектов в твердом теле, благодаря чему энергия внешних воздействий преобразуется в энергию электрических сигналов. Однако дальнейшее развитие в этом направлении сдерживается применяемыми традиционными техническими решениями, которые вышли на предел своих возможностей. Будущий прогресс в сенсорной электронике предполагает исследование методов преобразования различных видов энергии и оригинальную реализацию этих методов посредством разработки новых и усовершенствования существующих видов сенсоров на базе современных достижений в физике, технологии и использовании микроэлектронной техники.

Одним из важнейших параметров, влияние, которого необходимо всегда учитывать, является плотность теплового потока (электромагнитного излучения). Необходимость измерения данной величины обусловила появление самостоятельной отрасли измерительной техники – теплометрии. Теплометрия объединяет в себе методы и средства получения экспериментальной информации о тепловом потоке. Поэтому создание новых  тепловых сенсоров является на сегодняшний день актуальной задачей. Использование численных моделей при определении параметров таких сенсоров позволяет оптимизировать геометрические размеры конструкции и добиваться улучшения параметров сенсора без особых материальных затрат.

Для решения задачи нахождения тепловых потоков в простых моделях чаще всего используется аналитическое решение, для более сложных структур используется математическое моделирование, основанное на численных методах.

Принцип работы любого термопарного сенсора теплового потока основан на возникновении градиента температур по структуре сенсора. Для реализации активной части используются кремниевые балки малой толщины, так как у кремния достаточно высокий коэффициент теплопроводности, то нагрев балки будет однородным. Возникающий градиент температур регистрируется батареями термопар, расположенными на поверхности балок. Первая балка служит для получения выходного сигнала, а вторая балка применяется для его корректировки.

Аналогом данной структуры является термический конвертор среднеквадратичного значения напряжения. Пример такого конвертора описан в статье D. Jaeggi с соавторами[1]. Структура конвертора представлена на рисунке 1. В его состав входит кремниевая подложка, в которой сформировано углубление, тонкая балочка из оксида кремния, прикрепленная к подложке своими краями и свободно висящая над углублением в остальной своей части. На балочке расположен нагревающий резистор из поликристаллического кремния и батарея термопар поликремний - алюминий для измерения разности температур между нагретой областью и холодной частью вблизи места закрепления балки. Перепад температур зависит от выделяемой мощности на нагревательном резисторе и тепловой проводимости балочки.

Рисунок 1. Структура конвертора. (a) – вид в плане; (б) – изометрическая проекция.

1 – окна для формирования углублений в кремниевой подложке;

2 – нагревающий резистор;

3 – балочка из двуокиси кремния;

4 – выводы термопар;

5 – термобатарея;

2.  Конструктивное решение.

Термопарный измеритель плотности потока электромагнитного излучения балочного типа, представляет из себя, две тонкие кремниевые балочки. Данная структура получается в результате применения глубокого анизотропного травления и микроэлектронной технологии. На поверхности балок сформированы блоки термопар для регистрации перегрева, и соответственно получения выходного сигнала. Первая консольная балка служит для измерения электромагнитного излучения, а вторая для корректировки выходного сигнала.

Исходя из технического задания консольные балки имеют линейные размеры которые подбираются на основании двух условий:

1.  Условие максимального перегрева.

Разница температур между холодным и горячим участком термопары, должна быть достаточно большой. Разницы температура между холодным и горячим концом балки, зависит от линейных размеров. Чем меньше площадь поперечного сечения, тем больше тепловое сопротивление балки и соответственно больше выходной сигнал. Также тепловое сопротивление линейно зависит от длины балки, чем больше длина, тем больше тепловое сопротивление.

2.  Условие надежности структуры.

Толщина и длина балки подбираются таким образом, чтобы они слабо зависели от внешнего механического воздействия.