ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК H01C10/16 

Изобретение относится к полупроводниковой технике, более конкретно к микроэлектронным устройствам автоматики, связи и радиотехники.

Термоэлектрические преобразователи конструктивно представляют собой систему, состоящую из нагревателя и термочувствительного резистивного элемента, назначение которого состоит в передаче электрического сигнала посредством тепловой энергии (тепловой аналог оптрона). Этот прибор широко используется в телефонной связи в автоматических регуляторах усиления (АРУ), а также в термоанемометрах, схемах удвоения частоты, сглаживания пульсаций.

Термоэлектрические преобразователи, выпускаемые под маркой ТКП-. (терморезистор косвенного подогрева, например ТКП-50), представляют собой сборку из двух дискретных элементов проволочного нагревателя и стандартного терморезистора, объединенных теплопередающей диэлектрической средой. Недостатками такой конструкции являются большая инерционность и низкая точность измерения температуры. Кроме того, сборка элементов дает плохо воспроизводимые результаты, не поддается автоматизации, а весь прибор -миниатюризации (Зайцев Ю.В. Полупроводниковые термоэлектрические преобразователи, Р и С, 1985).

Наиболее близким техническим решением является "интегральный" более правильно монолитный, резистор косвенного подогрева на основе монокристаллического кремния (Марченко А.Н, и др. Кремниевые термоуправляемые резисторы. -Электронная техника, вып.5, с.251-259).

Эта конструкция представляет собой брусок кремния, пассивированного тонкой пленкой диоксида (SiO₂) на которую нанесен тонкопленочный резистор нагреватель. Тепло передается кристаллу кремния, в результате чего меняются сопротивление и ток во вторичной цепи. Конструкция обеспечивает хороший тепловой контакт между нагревателем и терморезистором, но обладает следующими недостатками.

Низкая надежность тонкой пленки диэлектрика из-за неизбежной его пористости. Так как площадь изоляции сравнительно велика, то между цепями. неизбежно, образуется паразитная связь.

Терморезистором является брусок кремния, который в силу хрупкости этого материала имеет малое отношение длины к поперечным размерам, а следовательно, низкое сопротивление порядка десятков Ом. Точное измерение температуры при низких уровнях сигнала требует дорогостоящей малошумящей схемы обработки, что делает прибор непригодным для массового производства.

Целью изобретения является снижение инерционности преобразования электрических сигналов, повышение чувствительности и стабильности, что обеспечивает прибору значительное расширение области применения.

Цель достигается тем, что в термоэлектрическом преобразователе, содержащем нагреватель, монокристаллический кремниевый терморезистор и контактные площадки к ним, нагреватель и терморезистор выполнены из одного и того же материала монокристаллического кремния в виде шин, сформированных в канавках подложки из высокоомного поликремния и изолированных от нее пленкой диоксида кремния, причем на поверхности шины нагревателя дополнительно создан слой силицида переходного металла, со сформированными на этом слое контактными площадками.

Авторам не известно из научно-технической литературы аналогичное решение формирования нагревателя и терморезистора в единой подложке. Кроме того, нагревательный элемент представляет собой слоистую структуру, также неизвестную авторам из литературы.

Таким образом, предложенная конструкция соответствует критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 изображена структура термопреобразователя; на фиг.2 и 3 - возможные примеры выполнения термопреобразователя.

Преобразователь состоит из терморезистора 1 и нагревателя 2 в виде шин, которые размещены в канавках подложки 4 из высокоомного поликремния. Между шинами нагревателя 2 и терморезистора 1 и подложкой 4 имеется слой 5 диоксида кремния. Поверх шины нагревателя 2 имеется слой 6 силицида переходного металла, например Ni,Cr,Ti,Mo. 3-контактные площадки.

Для изготовления терморезистора выбирают марку кремния обеспечивающую наибольшую чувствительность собственный кремний с ТКр 3.5% на град. Если же важна линейность R -T характеристики, то используется примесный кремний с удельным сопротивлением около 4 Ом•см, ТКр 0,5% на град. в диапазоне 20-50^oС.

Шина нагревателя 2, наоборот, должна иметь минимальный ТКр, что позволяет пользоваться простой схемой питания.

Данное противоречие устранено за счет того, что на поверхность нагревателя 2, сформированного из того же материала, что и терморезистор 1, напыляется один из переходных металлов (Ni, Cr, Ti, Mo), который после отжига образует слой силицида. Имея на порядок меньший ТКр и удельное сопротивление, этот слой 6 в совокупности с кремниевой частью нагревателя 2, выполняет функции нагревателя значительно лучше, чем собственный кремний. Слой силицида 6 формируется вместе с контактными площадками 3 без усложнения технологического процесса.

Прибор работает следующим образом (фиг.2 и 3).

К контактным площадкам 3 нагревателя 2 подается напряжение 1.6 В, причем мощность его может регулироваться в пределах 100-1000 мкВт, а температура 100-300^oС. Соответственно, температура терморезистора 1 изменяется в пределах 30-250^oС а его сопротивление в пределах 25- 50% (линейно) или в 10.100 раз (экспоненциально) в зависимости от марки кремния.

Монолитная конструкция и интегральная технология обеспечивают значительно более высокую точность приборов, а также их меньшую инерционность, что видно из сравнения с промышленно выпускаемым прототипом (см.таблицу).

Длительные, в течение двух лет, испытания прибора под нагрузкой показали, что уход сопротивления составил величину менее 1% что объясняется отсутствием в монокристалле процессов старения.

Таким образом, прибор по сравнению со своим прототипом, обеспечивает малую инерционность. Имеет более высокую чувствительность и стабильность.

Использование: изобретение относится к полупроводниковой технике и предназначено для передачи электрического сигнала посредством тепловой энергии. Устройство обеспечивает высокую точность и стабильность работы при малой инерционности. Сущность изобретения: преобразователь состоит из терморезистора 1 и нагревателя 2 с контактными площадками 3 к ним. Терморезистор 1 и нагреватель 2 выполнены из одного и того же материала - монокристаллического кремния - в виде шин и размещены в подложке 4 из высокоомного поликремния. Причем терморезистор 1 и нагреватель 2 изолированы от подложки 4 слоем 5 из диоксида кремния. Поверх монокристаллической шины нагревателя 2 сформирован слой 6 из силицида переходного металла, например Ni, Cr, Ti, Мо. Слой 6 и контактные площадки 3 к нагревателю 2 и терморезистору 1 формируются в едином цикле, например, напылением, без усложнения технологического процесса. 3 ил., 1 табл.

Термоэлектрический преобразователь, содержащий нагреватель, монокристаллический кремниевый терморезистор и контактные площадки к ним, слой диоксида кремния, отличающийся тем, что нагреватель и терморезистор выполнены в виде шин, размещенных в канавках подложки из высокоомного поликремния, при этом нагреватель выполнен из монокристаллического кремния, поверх которых сформирован слой силицида переходного металла.