RU2451295C1 - Термоанемометр и способ его изготовления - Google Patents
Термоанемометр и способ его изготовления Download PDFInfo
- Publication number
- RU2451295C1 RU2451295C1 RU2010153554/28A RU2010153554A RU2451295C1 RU 2451295 C1 RU2451295 C1 RU 2451295C1 RU 2010153554/28 A RU2010153554/28 A RU 2010153554/28A RU 2010153554 A RU2010153554 A RU 2010153554A RU 2451295 C1 RU2451295 C1 RU 2451295C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- membrane
- thermal conductivity
- substrate
- cavity
- hot
- Prior art date
Links
Landscapes
- Micromachines (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в процессе измерения параметров потоков жидкостей или газов. Предложен термоанемометр в микроэлектромеханическом (МЭМС) исполнении. Нагреватель и термодатчики заявленного термоанемометра сформированы на мембране, с обратной стороны которой выполнена герметизированная полость, заполненная материалом, коэффициент теплопроводности которого составляет менее 0,1 от коэффициента теплопроводности материала мембраны, или вакуумированная. Предложен также способ изготовления термоанемометра. Согласно данному способу на поверхности подложки формируют нагреватели и термодатчики. Мембрану формируют из материала подложки путем травления ее обратной стороны. Образовавшуюся в обратной стороне подложки полость герметизируют в среде или аргона, или криптона, или после заполнения полости твердым материалом. Технический результат: увеличение чувствительности, точности и пределов измерений. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 1 ил.
Description
Изобретение относится к области микросенсоров, а именно к микроэлектромеханическим системам (МЭМС) для измерения потоков жидкостей и газов - МЭМС-термоанемометрам.
Известны термоанемометры, содержащие помещенный в поток нагреваемый элемент и средство для регистрации его температуры: о величине потока судят по теплоотводу от этого элемента (по установившейся температуре при постоянном теплоподводе или по величине теплоподвода, необходимого для поддержания постоянной температуры) [патенты US 3623364, 4244217, 4501144, 4135396, 4478076, 4283944, 4624138, 3992940, 4680963, 5237867].
Известны также термоанемометры, содержащие нагревательный элемент, помещаемый в измеряемый поток, и чувствительный к теплу элемент, установленный в том же потоке в заданном положении относительно нагревательного элемента: поток определяют при этом по интенсивности теплопереноса. Оба типа приведенных термоанемометров известны и в микроисполнении (в интегральном исполнении): они содержат нагреваемые током слои (полоски), нанесенные на поверхность подложки или тонкой мембраны, а также содержат термочувствительные слои (термосопротивления), нагреваемые теплом, переносимым измеряемым потоком от полосок, нагреваемых током [заявка US 20080053196, патенты US 3576050, 5243858, 6527835].
Недостатком приведенных анемометров является паразитный перенос тепла от нагревателя к термодатчику, искажающий результаты измерений, уменьшающий чувствительность анемометра, точность и пределы измерений, а также увеличивающий непроизводительный расход энергии нагревателем.
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является термоанемометр, нагревательный элемент и датчик температуры (термодатчик) или несколько термодатчиков которого сформированы на открытой измеряемому потоку поверхности тонкой мембраны [заявка US 20070011867, патенты US 5108193, 6631638], теплоперенос по объему которой мал из-за малости площади ее поперечного сечения. Для измерения температуры окружающей среды служит один из термодатчиков на мембране или вне ее.
Недостатком прототипа является наличие с обратной стороны мембраны (где нет нагревателя и термодатчика) среды с высокой теплопроводностью (порядка или больше теплопроводности мембраны), что приводит к проявлению тех же недостатков, что и у аналогов, хотя и в меньшей степени.
Целью предлагаемого изобретения является увеличение чувствительности, точности и пределов измерений термоанемометра.
Указанная цель достигается тем, что с обратной стороны мембраны (т.е. со стороны, противоположной лицевой, которая обращена к измеряемому потоку и на которой сформированы нагреватель и термодатчик) термоанемометра (по прототипу) выполнена полость, или заполненная материалом с низкой теплопроводностью, или вакуумированная. Низкой в данном случае предлагается считать теплопроводность, если коэффициент теплопроводности материала составляет менее 0,1 от коэффициента теплопроводности материала мембраны.
Полость с обратной стороны мембраны в варианте предлагаемого изобретения сформирована в процессе травления подложки для получения мембраны нужной толщины. Подобный вариант использован в связи с тем, что термоанемометры в микроисполнении особенно эффективны, когда сформированы на одном кристалле со схемой питания и обработки сигнала. При этом на мембране формируется преобразователь потока в электрический сигнал, а в объемной части того же материала формируется электронная схема питания прибора и обработки сигнала.
В варианте настоящего изобретения в качестве материала с низкой теплопроводностью предлагается использовать аргон или ксенон, имеющие теплопроводность 0,0177 Вт/(м·K) и 0,0057 Вт/(м·K), соответственно. У кремния, одного из самых используемых для производства подобных датчиков материала, теплопроводность составляет 149 Вт/(м·K).
При этом полость герметизируют в среде аргона или криптона крышкой путем приклеивания ее к подложке, или припаивания, или приваривания, или посадки на оптический контакт, или прижима через упругую прокладку. В качестве крышки используют пластину из материала подложки (мембраны) или стенку корпуса анемометра. Можно использовать крышки и из иных достаточно прочных и технологичных материалов.
Наиболее эффективен вариант изобретения, в котором полость вакуумирована. Для этого герметизацию полости проводят в вакууме.
Описанная герметизация может производиться и для негазообразных наполнителей полости - для стабилизации характеристик термоанемометра, например, путем защиты наполнителя от воздействия окружающей среды.
В другом варианте изобретения термоанемометр выполнен на мембране, вытравленной в подложке из кремния, а материалом с низкой теплопроводностью, заполняющим полость, является или стекло (коэффициент теплопроводности 1 Вт/(м·K)), или иное твердое вещество с низкой теплопроводностью. Вытравленная в кремниевой подложке мембрана может быть затем подвергнута дополнительным обработкам (окислению, наращиванию, нанесению диэлектрических или проводящих слоев и т.п.).
На Фиг.1 схематично (без изолирующих слоев, без проводящих дорожек и т.д.) изображен вариант предлагаемого термоанемометра, изготовленный на кремниевой подложке путем вытравливания полости в процессе создания мембраны. Цифрами обозначены:
1 - подложка,
2 - мембрана,
3 - нагреватель,
4 - термодатчик,
5 - вакуумированная полость,
6 - крышка.
Примером конкретного исполнения может служить термоанемометр, выполненный на подложке из кремния КЭФ 4,5 Ом·см с ориентацией (100) толщиной 460 мкм. Мембрана выполнена двухслойной (SiO2 - Si3N4) и имеет следующие размеры: длина - 1,2 мм, ширина - 0,5 мм, толщина - 2 мкм. Нагреватель выполнен в виде пленки из Pt толщиной 0,3 мкм, термодатчик выполнен в виде такой же пленки, крышкой служит пластина кремния, припаянная к подложке с помощью нанесенного слоя стекла толщиной 3 мкм. Крышка установлена в условиях низкого вакуума (давление 1,3 Па), поэтому в полости такой же вакуум. За пределами мембраны в слое кремния выполнены датчик температуры окружающей среды, а также электронная схема питания термоанемометра и обработки и передачи сигнала о величине измеряемого потока газа или жидкости.
Claims (7)
1. Термоанемометр, содержащий мембрану со сформированными на ней нагревателем или нагревателями и термодатчиком или термодатчиками, отличающийся тем, что на стороне мембраны, противоположной той стороне, на которой сформированы нагреватель или нагреватели и термодатчик или термодатчики, выполнена полость, заполненная материалом, коэффициент теплопроводности которого составляет менее 0,1 от коэффициента теплопроводности материала мембраны, или вакуумированная.
2. Термоанемометр по п.1, отличающийся тем, что материалом с низкой теплопроводностью является аргон или ксенон.
3. Термоанемометр по п.1, отличающийся тем, что мембрана выполнена в кремниевой подложке, а материалом с низкой теплопроводностью является или стекло, или иное твердое при температуре эксплуатации вещество с коэффициентом теплопроводности менее 0,1 от коэффициента теплопроводности материала мембраны.
4. Способ создания термоанемометра по любому из пп.1-3, заключающийся в том, что на поверхности подложки формируют нагреватель или нагреватели и термодатчик или термодатчики, мембрану формируют из материала подложки с последующими обработками путем травления ее обратной стороны, а образовавшуюся в обратной стороне подложки полость герметизируют в среде или аргона, или криптона, или после заполнения полости твердым материалом.
5. Способ по п.4, отличающийся тем, что полость герметизируют крышкой приклеиванием ее к подложке, или припаиванием, или привариванием, или посадкой на оптический контакт, или прижимом через упругую прокладку.
6. Способ по п.5, отличающийся тем, что в качестве крышки используют пластину из материала мембраны.
7. Способ по п.5, отличающийся тем, что в качестве крышки используют стенку корпуса анемометра.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010153554/28A RU2451295C1 (ru) | 2010-12-28 | 2010-12-28 | Термоанемометр и способ его изготовления |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010153554/28A RU2451295C1 (ru) | 2010-12-28 | 2010-12-28 | Термоанемометр и способ его изготовления |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2451295C1 true RU2451295C1 (ru) | 2012-05-20 |
Family
ID=46230856
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2010153554/28A RU2451295C1 (ru) | 2010-12-28 | 2010-12-28 | Термоанемометр и способ его изготовления |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2451295C1 (ru) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2509995C1 (ru) * | 2012-07-10 | 2014-03-20 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МИЭТ" (Национальный исследовательский университет МИЭТ) | Мембранный термоанемометр |
RU2548612C2 (ru) * | 2013-08-05 | 2015-04-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ") | Способ изготовления термоанемометра (варианты) |
RU2697518C1 (ru) * | 2018-12-03 | 2019-08-15 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи" (ФГУП "РНИИРС") | Измерительный преобразователь акустической скорости частиц |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5108193A (en) * | 1985-08-20 | 1992-04-28 | Sharp Kabushiki Kaisha | Thermal flow sensor |
RU2086987C1 (ru) * | 1994-06-02 | 1997-08-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Сенсорные системы" | Устройство для измерения скорости газового потока и перепада давления |
US6631638B2 (en) * | 2001-01-30 | 2003-10-14 | Rosemount Aerospace Inc. | Fluid flow sensor |
RU2291447C2 (ru) * | 2004-08-30 | 2007-01-10 | ООО Деловой центр "Кронштадт" | Датчик перемещения жидкостей и газов |
EP1329713B1 (en) * | 1997-12-31 | 2007-06-13 | Honeywell Inc. | Fluid property and flow sensing via a common frequency generator and Fast Fourier Transform (FFT) |
-
2010
- 2010-12-28 RU RU2010153554/28A patent/RU2451295C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5108193A (en) * | 1985-08-20 | 1992-04-28 | Sharp Kabushiki Kaisha | Thermal flow sensor |
RU2086987C1 (ru) * | 1994-06-02 | 1997-08-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Сенсорные системы" | Устройство для измерения скорости газового потока и перепада давления |
EP1329713B1 (en) * | 1997-12-31 | 2007-06-13 | Honeywell Inc. | Fluid property and flow sensing via a common frequency generator and Fast Fourier Transform (FFT) |
US6631638B2 (en) * | 2001-01-30 | 2003-10-14 | Rosemount Aerospace Inc. | Fluid flow sensor |
RU2291447C2 (ru) * | 2004-08-30 | 2007-01-10 | ООО Деловой центр "Кронштадт" | Датчик перемещения жидкостей и газов |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2509995C1 (ru) * | 2012-07-10 | 2014-03-20 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МИЭТ" (Национальный исследовательский университет МИЭТ) | Мембранный термоанемометр |
RU2548612C2 (ru) * | 2013-08-05 | 2015-04-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ") | Способ изготовления термоанемометра (варианты) |
RU2697518C1 (ru) * | 2018-12-03 | 2019-08-15 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи" (ФГУП "РНИИРС") | Измерительный преобразователь акустической скорости частиц |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6398808B2 (ja) | 内部温度測定装置及びセンサパッケージ | |
DK2751531T3 (en) | Flow sensor for determining a flow parameter and method for determining the same | |
US20070209433A1 (en) | Thermal mass gas flow sensor and method of forming same | |
US20070017285A1 (en) | Micromachined thermal mass flow sensors and insertion type flow meters and manufacture methods | |
US20200348252A1 (en) | Gas sensor for measuring a concentration of an analysis gas | |
WO2017213118A1 (ja) | 露点測定方法及び露点測定装置 | |
RU2451295C1 (ru) | Термоанемометр и способ его изготовления | |
JP2008111778A (ja) | ピラニ真空計および圧力測定方法 | |
KR101078187B1 (ko) | 마이크로 가스 센서 및 그 제조 방법 | |
JP2008209284A (ja) | 圧力測定装置および圧力測定方法 | |
CN208206329U (zh) | 一种自标定薄膜热电偶 | |
JP2015064305A (ja) | 熱型センサとこれを用いた熱計測モジュール | |
JP4844252B2 (ja) | 熱式質量流量計 | |
RU177514U1 (ru) | Термоанемометрический датчик расхода жидкостей и газов | |
JP3083901B2 (ja) | 雰囲気センサ | |
KR101050517B1 (ko) | 미세 열유속 센서 및 그 제조 방법 | |
CN111157573B (zh) | 薄膜热导率的测量装置及测量方法 | |
RU145242U1 (ru) | Чувствительный элемент датчика с нагревателем | |
KR100292799B1 (ko) | 멤브레인구조의마이크로유량/유속센서,및그를이용한유량/유속측정방법 | |
AU4871200A (en) | Liquid level sensor | |
RU200149U1 (ru) | Термоанемометрический датчик расхода жидкостей и газов для экологического мониторинга | |
Choi et al. | Fabrication and characteristics of micro-electro-mechanical-system-based tilt sensor | |
Zhang et al. | Single (111)-Wafer Single-Side Microfabrication of Suspended p+ Si/n+ Si Thermopile for Tiny-Size and High-Sensitivity Thermal Gas Flow Sensors | |
JP5907688B2 (ja) | フローセンサ及びフローセンサの製造方法 | |
JP6536059B2 (ja) | 湿度センサ |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20121229 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20150210 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20151229 |