WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

Экз № ЛОКТЕВ ДМИТРИЙ ВИКТОРОВИЧ РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНОЛОГИИ МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ ТОЧНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ГАЗОВЫХ СРЕД 05.27.06 – технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва – 2007 г.

2

Работа выполнена на кафедре «Материалов и Процессов Твердотельной Электроники» Московского государственного института электронной техники (технического университета)

Научный консультант: Д.В. Зиновьев кандидат технических наук,

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, С.А. Гаврилов кандидат технических наук, И.Н. Шишкова Ведущая организация – Телеком - СТВ ЗАО

Защита состоится “ ” 2007 г.

на заседании диссертационного Совета Д.212.134.03 при Московском государственном институте электронной техники (техническом университете) по адресу: 124498, Москва, г. Зеленоград, проезд № 4806, д. 5

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке института Автореферат разослан “ ” 2007 г.

соискатель Д.В. Локтев

Ученый секретарь диссертационного Совета, д.ф.-м.н., профессор В.Б. Яковлев.

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

.

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. 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 механо – электрических 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, пеллисторах, вакуумметрах Пирани, и термометрах. И это несмотря на наличие прибора, напрямую преобразующего тепло в электрический сигнал и обратно – терморезистора. Выяснилось, что простой перенос методик тепловых измерений из макро- в микрообласть невозможен, т.к.он может сопровождаться размерным эффектом.

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 уделялось 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 пределов; он 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 пригодную для массового производства резисторов групповую тонко- и толстопленочную технологии. Но производство терморезисторов требовало дополнительного точного контроля ТКС, значение которого зависит от многих факторов и может изменятся при эксплуатации; этот дрейф не в состоянии учесть микропроцессорная схема обработки; и точность прибора снижается непредсказуемым образом. Преодолеть этот недостаток платиновых тонкопленочных терморезисторов, широко используемых в приборостроении, не удалось даже ведущим фирмам США, Германии, Японии. Таким образом, можно констатировать наличие научно – технической проблемы, решение которой имеет актуальное значение во многих областях.

Микроэлектроника в этом случае подсказывает радикальное решение – переход на монокристаллический кремний, в котором нет границ зерен, невозможны сегрегация и рекристаллизация, и потому он значительно 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 затраты, связанные с переходом на нетрадиционные для резисторостроения технологии.

Группой сотрудников кафедры МПТЭ была разработана конструкция, в которой используется весь комплекс специфических особенностей монокристаллического кремния. Был изготовлен оригинальный терморезистор (двойного назначения – микронагреватель 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.

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

ЦЕЛЬ РАБОТЫ - теоретическое изучение эффекта гигантской теплоотдачи и сопровождающих его явлений, разработки физико – математической модели и создания на новой основе ряда тепловых МЭМС следующего поколения.

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 предложить обоснование эффекту гигантской теплоотдачи;

- на основании модели определить практически значимые следствия этого эффекта и выполнить экспериментальную проверку;

- разработать 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–математическая модель теплопроводности плотных газов в условиях высокого температурного градиента.

3. В условиях высокого температурного градиента, 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 теплоотдачи, термофорез, конвективная устойчивость и ламинаризирующая поток способность.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ. Результаты работы использованы в научно – исследовательской работе «Разработка способа подавления автолегирования при эпитаксии на высоколегированную кремниевую подложку. Шифр «712 – ГБ – 53 – РНП – МПТЭ». 2006 г.

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».

О чем имеются акты внедрения.

ОПРОБАЦИЯ РАБОТЫ.

Основные результаты работы обсуждены на 12-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика - 2005" (Москва, г.), Second International Conference on Transport Phenomena in Micro and Nanodevices. Il 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 научно-технический отчет по НИР.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ.

1. Использование базового материала микроэлектроники, групповой технологии производства чувствительных элементов термосенсоров, микропроцессорной обработки выходного сигнала позволили 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.

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 страницах и содержит 51 рисунка и 12 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проведенных исследований, сформулирована цель работы, показана научная новизна, основные положения, выносимые на защиту, практическая ценность работы.

В первой главе обоснован выбор газов, как объекта исследования. Контроль за их свойствами и параметрами является важным, часто решающим условием оптимизации многих технических процессов.

Поскольку газы являются сжимаемой средой, зависимость их свойств от температуры выражена гораздо сильнее, чем в случае конденсированных сред. Поэтому она является главным и наиболее часто измеряемым параметром.

Имеется множество средств прецизионного измерения температуры, но в последнее время предпочтение отдается терморезисторам способным напрямую преобразовывать ее в электрический сигнал, необходимый для систем автоматической обработки. Достоинство терморезистора состоит также в том, что он функционирует за счет электрического тока и потому может служить и термометром сопротивления, и нагревателем, причем в необходимых случаях тем и другим одновременно – в виде термостатированного источника тепла. Такая комбинация резко расширяет области применения терморезисторов в контрольно – измерительной технике (табл.1), которая испытывает острую нужду в миниатюрных конструкциях, обладающих невысокими тепловой инерционностью, энергопотреблением, возмущающим воздействием на среду измерения.

Таблица 1. Классификация тепловых МЭМС.

Наименование Измеряемая Основные области характеристика применения Термометры Температура Техника, технология, быт, медицина Термоанемометры Скорость, Автомобилестроение, направление медицина, связь, потоков, массовый технология расход газов Катарометры Анализ газов по Хроматография теплопроводности Пеллисторы Содержание Горное дело (каталитические горючих метоаноопределители) взрывоопасных газов (Н2, СН4, СО) Адсорбционные (на Анализ газов (CO, Горное дело, оксиде олова) CH4, H2S, NOx) металлургия Манометры Пирани Разрежение Вакуумная техника Резонаторы с Резонансные Термометрия, термовозбуждением датчики гироскопы, акселерометры Болометры Приемники Оптика, термометрия излучения Наклономеры Угол отклонения от Строительство, горное положения базы дело, транспорт прибора В настоящее время используются многие материалы и конструкции (табл.2).

Классификация терморезисторов проволочные фольговые Толстопленочные композиции Pt Pt Керамики на основе Ni Ni нестехиометрических W оксидов никеля, Мо кобальта, марганца, меди Cu Cu тонкопленочные объемные Pt Бусинковые – п/п керамика Кермет типа Ni-ZrOМонокристаллический Поликремний кремний Наиболее полно всем требованиям соответствует разработанный Д.В. Зиновьевым с сотрудниками кремниевый монокристаллический терморезистор, тело которого, свободно подвешенное в пространстве, имеет размер порядка 100 60 20 мкм (рис.1).

Рис.1. Монокристаллический терморезистор.

1 – тело резистора;

2 – токовводы;

3 – контактные площадки.

Кремниевый монокристаллический терморезистор является первым прибором, обладающим возможностью измерения температуры такой микрочастицы благодаря содержанию внутреннего природного репера – температуры перехода от примесной проводимости к собственной – Ткр, выявляемой на ВАХ по смене знака ТКС.

По значению мощности, рассеиваемой при Ткр, легко рассчитать интенсивность теплоотдачи – коэффициент из уравнения Ньютона – Рихмана. Его значение для тела очень высокой кривизны, каковым является микронагреватель, оказалось на 3 порядка большим, чем наблюдаемое в макротеплотехнике.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»