датчик для определения концентрации компонентов в газовой смеси

Формула изобретения

1. Датчик для определения концентрации компонентов в газовой смеси, содержащий подложку, с рабочей стороны которой нанесены последовательно друг над другом первый диэлектрический слой, резистивный нагревательный элемент, второй диэлектрический слой, резистивный газочувствительный элемент, расположенный в пределах проекции резистивного нагревательного элемента на второй диэлектрический слой, контактные площадки резистивных нагревательного и газочувствительного элементов, расположенные на втором диэлектрическом слое и соединенные токопроводящими элементами соответственно с резистивными нагревательным и газочувствительным элементами, отличающийся тем, что датчик содержит резистивный температурочувствительный элемент, расположенный в тепловой зоне резистивных нагревательного и газочувствительного элементов и электрически развязанный с ними, контактные площадки которого расположены на втором диэлектрическом слое и соединены с ним токопроводящими элементами, буферный теплостойкий слой, расположенный на подложке со стороны, противоположной рабочей, в которой выполнено глухое мембранообразующее отверстие, в пределах проекции которого на первый диэлектрический слой расположены резистивные нагревательный и температурочувствительный элементы, причем в буферном теплостойком слое под глухим мембранообразующим отверстием в подложке и равным ему по размеру выполнено сквозное отверстие, а со стороны, прилегающей к подложке, в буферном теплостойком слое выполнены компенсационные пазы, формирующие выступы, причем размеры и расположение выступов совпадают с проекцией контактных площадок на буферный теплостойкий слой.

2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что резистивный температурочувствительный элемент расположен на первом диэлектрическом слое в непосредственной близости от резистивного нагревательного элемента.

3. Датчик по п.1, отличающийся тем, что резистивный температурочувствительный элемент расположен на втором диэлектрическом слое в непосредственной близости от резистивного газочувствительного элемента.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области измерительной техники, предназначено для обнаружения и измерения концентрации различных газовых компонентов в газовой смеси и, в частности, может быть использовано в газовой хроматографии.

Известен датчик [1] на подложке которого нанесены резистивные нагревательный и газочувствительный элементы, разделенные между собой диэлектрическим слоем. Подложка соединена с корпусом при помощи упругой U-образной пластины, основание которой закреплено в базе корпуса, а в отверстия в боковых поверхностях пластины установлена подложка, причем контакт между подложкой и U-образной пластиной точечный. Данная конструкция снижает паразитные тепловые утечки с подложки на корпус, а, следовательно, снижается потребляемая датчиком мощность, однако наличие точечного контакта и подвешенное состояние подложки вызывает осложнение сборки при монтаже подложки датчика в корпус.

Известен датчик [2] в состав которого входит подложка, с рабочей стороны которой нанесены последовательно друг за другом диэлектрический слой, резистивный газочувствительный элемент и токопроводящие элементы к нему, а со стороны, противоположной рабочей стороне в подложке выполнено глухое мембранное отверстие, на дно которого нанесен резистивный элемент, нагревающий датчик. Тепловые потери в подложке снижены за счет наличия мембраны, уменьшающей толщину подложки под чувствительной частью датчика. В данной конструкции сложно обеспечить прецезионность изготовления резистивного нагревательного элемента, так как его приходится формировать на дне глухого отверстия, что технологически затруднено, а также существуют существенные технологические трудности в обеспечении точного расположения резистивного нагревательного элемента по отношению к газочувствительному элементу, так как они должны быть расположены на противоположных сторонах подложки. Оба отмеченных недостатка приводят к невоспроизводимости температурных характеристик такого датчика и увеличению потребляемой мощности. Монтаж подложки такого датчика в корпус создает между мембраной глухого отверстия и основанием корпуса полость, характеристики которой в значительной степени определяются загерметизированной средой полости, что приводит при повышении температуры подложки к выгибанию мембраны глухого отверстия, уходам номиналов сопротивлений резистивных элементов, увеличению рассеивания тепла и как следствие увеличению необходимой для работы потребляемой мощности.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является интегральный газовый датчик [3] Датчик содержит подложку, с рабочей стороны которой нанесены последовательно, друг над другом, первый диэлектрический слой, резистивный нагревательный элемент, второй диэлектрический слой, резистивный газочувствительный элемент, контактные площадки резистивного нагревательного и газочувствительного элементов, расположенные на втором диэлектрическом слое и соединенные токопроводящими элементами соответственно с резистивным нагревательным и газочувствительным элементами. Наличие глухого отверстия со стороны подложки противоположной рабочей снижает площадь теплового контакта между рабочей стороной подложки и периферией подложки, корпусом датчика, что обеспечивает некоторое уменьшение тепловых потерь с резистивного нагревательного элемента на корпус датчика, а, следовательно, снижает необходимую для работы датчика потребляемую мощность. Расположение же резистивного газочувствительного элемента над резистивным нагревательным элементом через второй диэлектрический слой напротив уменьшает путь тепла от резистивного нагревательного элемента к резистивному газочувствительному элементу, что дополнительно снижает необходимую для работы датчика потребляемую мощность. Однако эффективность данного технического решения недостаточна. Сборочно-технологические операции и условия эксплуатации (режимы высокой температуры >100 градусов Цельсия) ограничивают возможность снижения толщины многослойной подложки менее 200 мкм в связи с возможным ее разрушением как при сборке, так и при эксплуатации. Вызванное этим увеличение объема источника тепла от размеров, ограниченных проекцией резистивного нагревательного элемента на первый диэлектрический слой (при толщине многослойной структуры мембраны менее 5 мкм), до размеров всей многослойной структуры приводит к тепловым потерям в ней, так как заметный (более 25%) теплолокализационный эффект резистивного нагревательного элемента относительно периферии многослойной структуры проявляется при толщинах менее 10 мкм. Соизмеримость температуры резистивного нагревательного элемента и температуры периферии многослойной структуры, имеющей контакт с рабочей стороной подложки, усиливает утечки тепла, а, следовательно, мощности, через подложку. Датчик не защищен от эффективного перегревания резистивного нагревательного элемента при реальном достижении резистивным газочувствительным элементом рабочей температуры, что увеличивает мощность потребления, затрачиваемую на это перегревание.

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое решение, является снижение мощности потребления датчика.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в датчик для определения концентрации компонентов газовой смеси, содержащий подложку, с рабочей стороны которой нанесены последовательно, друг над другом, первый диэлектрический слой, резистивный нагревательный элемент, второй диэлектрический слой, резистивный газочувствительный элемент, расположенный в пределах проекции резистивного нагревательного элемента на втором диэлектрическом слое, контактные площадки резистивных нагревательного и газочувствительного элементов, расположенные на втором диэлектрическом слое и соединенные токопроводящими элементами соответственно с резистивным нагревательным и газочувствительным элементами, введены резистивный температурочувствительный элемент, расположенный в тепловой зоне резистивных нагревательного и газочувствительного элементов и электрически развязанный с ними, контактные площадки которого расположены на втором диэлектрическом слое и соединены с ним токопроводящими элементами, буферный теплостойкий слой, расположенный на подложке со стороны противоположной рабочей, в которой выполнено глухое мембранообразующее отверстие, в пределах проекции которого на первый диэлектрический слой расположены резистивный нагревательный и температурочувствительный элементы, причем в буферном теплостоком слое под глухим мембранообразующим отверстием в подложке и равным ему по размеру выполнено сквозное отверстие, а со стороны, прилегающей к подложке, в буферном теплостойком слое выполнены компенсационные пазы, формирующие выступы, причем размеры и расположение выступов совпадают с проекцией контактных площадок на буферный теплостойкий слой. Нанесение резистивного температурочувствительного элемента возможно в ряде реализаций:

на первом диэлектрическом слое в непосредственной близости от резистивного нагревательного элемента;

втором диэлектрическом слое в непосредственной близости от резистивного газочувствительного элемента.

Совокупность признаков предлагаемого датчика позволяет снизить его мощность потребления, так как реализован принцип полной теплолокализации резистивного нагревательного элемента и элементов, расположенных в его тепловой зоне, то есть обеспечено ограничение тепловых утечек по возможным каналам. Глухое мембранообразующее отверстие в подложке имеет многослойную структуру, ограниченную проекциями резистивных нагревательного и температурочувствительного элементов на первый диэлектрический слой, толщина которой позволяет получить теплоканализационный эффект, увеличивающий перегрев резистивного нагревательного элемента и элементов, расположенных в его тепловой зоне, относительно периферии многослойной структуры не менее, чем на 50% а воздушная полость, образованная этим отверстием, препятствует тепловым утечкам под многослойную структуру. Компенсационные пазы в буферном теплостойком слое позволяют выравнивать давление в воздушной полости глухого мембранообразующего отверстия в подложке и над резистивным газочувствительным элементом, расположенным с рабочей стороны подложки, что препятствует деформации мембранной многослойной структуры и обеспечивает возможность дополнительного снижения ее толщины для уменьшения мощности потребления. Температурный перегрев (за счет эффекта мембраны) нагревательного элемента и элементов, расположенных в его тепловой зоне, относительно периферии многослойной структуры снижает рабочую температуру последней, что ограничивает тепловые утечки на подложку в плоскости теплового контакта первого диэлектрического слоя с рабочей стороны подложки, которые, в свою очередь, ограничиваются снижением площади теплового контакта до общей площади контактных площадок в плоскости соединения подложки с буферным теплостойким слоем и увеличением теплового сопротивления. Буферный теплостойкий слой увеличивает локальный температурный перегрев не менее, чем на 100 градусов. Резистивный температурочувствительный элемент обеспечивает слежение за температурой подложки в зоне резистивного газочувствительного элемента, тем самым поддерживая рабочий температурный диапазон в котором датчик чувствителен к определенному газовому компоненту.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1-3, где изображена возможная реализация предлагаемого датчика. На фиг. 1-3 приняты следующие обозначения: 1 подложка; 2 рабочая сторона подложки; 3 первый диэлектрический слой; 4 - резистивный нагревательный элемент; 5 второй диэлектрический слой; 6 - резистивный газочувствительный элемент; 7 контактная площадка; 8 - токопроводящий элемент; 9 резистивный температурочувствительный элемент; 10 буферный теплостойкий слой.

Датчик для определения концентрации компонентов в газовой смеси, содержит подложку 1, с рабочей стороны 2 которой нанесены последовательно, друг над другом, первый диэлектрический слой 3, резистивный нагревательный элемент 4, второй диэлектрический слой 5, резистивный газочувствительный элемент 6, расположенный в пределах проекции резистивного нагревательного элемента 4 на второй диэлектрической слой 5, контактные площадки 7 резистивных нагревательного 4 и газочувствительного элемента 6, расположенные на втором диэлектрическом слое 5 и соединенные токопроводящими элементами 8 соответственно с резистивным нагревательным 4 и газочувствительным 6 элементами. Резистивный температурочувствительный элемент 9, расположенный в тепловой зоне резистивных нагревательного 4 и газочувствительного 6 элементов и электрически развязанный с ними, имеет контактные площадки 7, которые расположены на втором диэлектрическом слое 5 и соединены с ним токопроводящими элементами 8. Буферный теплостойкий слой 10 расположен на подложке 1 со стороны противоположной рабочей 2, в которой выполнено глухое мембранообразующее отверстие, в пределах проекции которого на первый диэлектрический слой 3 расположены резистивный нагревательный 4 и температурочувствительный 9 элементы, причем в буферном теплостойком слое 10 под глухим мембранообразующим отверстием в подложке 1 и равным ему по размеру выполнено сквозное отверстие, а со стороны, прилегающей к подложке 1, в буферном теплостойком слое 10 выполнены компенсационные пазы, формирующие выступы, причем размеры и расположение выступов совпадают с проекцией контактных площадок 7 на буферный теплостойкий слой 10. Нанесение резистивного температурочувствительного элемента 9 возможно в ряде реализаций:

на первом диэлектрическом слое 3 в непосредственной близости от резистивного нагревательного элемента 4;

втором диэлектрическом слое 5 в непосредственной близости от резистивного газочувствительного элемента 6.

Подложка 1 может быть выполнена из кремния. В качестве первого диэлектрического слоя 3, второго диэлектрического слоя 5, резистивных нагревательного 4 и температурочувствительного 9 элементов используются материалы совместимые с кремнием по адгезионным свойствам и свойствам температурного расширения. Резистивный газочувствительный элемент 6 может быть выполнен из металлоокисных полупроводников, их комбинаций и определенной лигатуры в зависимости от конкретных газовых компонентов, для контроля которых предназначен датчик. Для контактных площадок 7 и токопроводящих элементов 8 используются типовые материалы, применяемые в микроэлектронике. Буферный теплостойкий слой 10 выполняется из материалов, соответствующих его функции, температурным режимам датчика (например, пористый ситалл).

При подаче напряжения на контактные площадки 7 резистивного нагревательного элемента 4 повышается температура многослойной структуры, ограниченной проекциями резистивных нагревательного 4 и температурочувствительного 9 элементов на первый диэлектрический слой 3. Одновременно нагревается и резистивный газочувствительный элемент 6, температура которого контролируется, благодаря температурочувствительному элементу 9. При достижении резистивным газочувствительным элементом 6 рабочей температуры (для каждого газового компонента существует свой диапазон рабочих температур) повышение напряжения на резистивном нагревательном элементе 4 прекращается. В установившемся температурном режиме происходит сорбционно-адсорбционный процесс на поверхности резистивного газочувствительного элемента 6, при этом изменяется его сопротивление (в рабочем диапазоне температур), причем величина этого изменения сопротивления пропорциональна концентрации газового компонента. Тепловые поля в датчике распределяются таким образом, что максимальная температура локализуется в тепловой зоне резистивного нагревательного элемента 4. Распространению тепловых утечек от резистивного нагревательного элемента 4 вдоль рабочей стороны подложки 2 препятствует эффект мембраны, проявляющийся в возникновении теплового скачка на границе, образуемой при проецировании глухого мембранообразующего отверстия на первый диэлектрический слой 3. При пересечении этой границы температура падает не менее, чем на 50% от температуры резистивного нагревательного элемента 4. Распространению тепловых утечек от резистивного нагревательного элемента 4 по нормали вглубь подложки 1 препятствует воздушная полость, сформированная глухим мембранообразующим отверстием в подложке 1 и сквозным отверстием в буферном теплостойком слое 10. На границе раздела мембрана воздушная полость возникает второй тепловой скачок. Деформации мембранной многослойной структуры препятствуют компенсационные пазы в буферном слое 10, выравнивающие давление в воздушной полости и на поверхности резистивного газочувствительного элемента 6. Третий тепловой скачок возникает при распространении тепловых утечек от периферии многослойной структуры по нормали вглубь подложки 1 в плоскости контакта подложка 1 с выступами буферного теплостойкого слоя 10. При этом тепловой перегрев периферии многослойной структуры составляет не менее 100 градусов. При совокупности всех тепловых скачков возникает перераспределение тепловых полей, вызывающее сверхсуммарный теплолокализационный эффект резистивного нагревательного элемента 4 и элементов, расположенных в его тепловой зоне.

Мощность, потребляемая прелагаемым датчиком, снижена за счет уменьшения объема источника тепла (а, следовательно, источника тепловых потерь), нагреваемого резистивным нагревательным элементом до рабочей температуры резистивного газочувствительного элемента 6. Уменьшение объема связано с перераспределением тепловых полей, вызванным теплолокализационными эффектами мембраны, воздушной полости и буферного теплостойкого слоя 10, которые, работая в совокупности, обеспечивают сверхсуммарный температурный перегрев резистивного нагревательного элемента 4 и элементов, расположенных в его тепловой зоне, относительно других составных частей датчика, что и позволяет решить поставленную задачу.

Список литературы

1. Заявка Японии N 2-82148, "Крепление подложки", кл. G 01 N 27/12.

2. Патент США N 4343768, "Газовый детектор", кл. G 01 N 27/06.

3. Патент США N 4587105, "Интегральный датчик", кл. G 01 N 27/12.