VXSxuxSxucos;

v_yS_yu_yS_yusin,

(3.2.9)

гдеS_xи^S_y

–коэффициенты,характеризующиепреобразование

uT,т.е.v_xS_xT_x,^v_y^S_y^T_y.

Изсоотношений(3.3.9)поизмененнымv_x

^uи.

и^v_y

определяются

Нарис.3.9представленапреобразовательнаяхарактеристикасен-сорапотока,когдагаздвижетсявнаправленииосиx.Термобатареи,расположенныеперпендикулярнонаправлениюпотока,имеютвыход-нойсигнал,практическиравныйнулю.Данныйтипсенсорапозволяетопределитьнаправлениепотока,из-зачегопреобразовательнаяхарак-теристикаимеетнечетнуюсимметрию.

Выходнойсигналтермопары,мВ

30

20

1

10

0

–10 ²

–20

–30

–400 –200 0 200 400

Поток,см³/мин

Рис.3.9.Преобразовательныехарактеристи-кисенсорапотокадлятермопар,ориентиро-ванныхпараллельнопотокугаза(1)ипер-пендикулярноему(2)

Сенсорыпотокагазачувствительныкособенностямдвиженияпо-токавканале.Экспериментальныехарактеристикинарис.3.9даныприменительнокдвижениюгазавузкомканалесусложненнойгео-метрией.Помнениюавторов[3.7],сложнаягеометрияканалаобусло-вилапоявлениелинейныхучастковхарактеристикивместопредсказы-

ваемойтеориейзависимостивидаv

uдлянеограниченногопоz

потока.Падениевыходногосигналаприбольшихскоростяхдвижениягазасвязываетсяспереходомктурбулентномухарактерутечениягаза.

Нарис.3.10показаназависимостьвыходногосигнала^x-термопаротнаправленияпотокагаза.Онаполностьюсоответствуетпервомууравнениюизсистемы(3.2.9).Дляразработаннойконструкциисенсора

^{удалосьполучитьразрешениепоуглуоколо1,чтосчитаетсяхоро-шим}результатом.

Выходнойсигналтермопары,мВ

8

4

0

–4

–8

0 90 180 270 360

Направлениепотока,град

Рис.3.10.Преобразовательнаяхарактери-стикасенсорапотокаотносительнонаправ-лениядвижениягаза

Наличиетонкоймембраныусенсорапозволяетизмерятьскоростьгаза,движущегосянетольконадпланарнойповерхностью,гдераспо-ложенытермопары,ноисобратнойпрофилированнойстороны.Еслипотокгазапроходитнадобратнойсторонойчипа,тоулучшаетсязащи-татермопарсенсораотзагрязненийгазовойсреды.Однакоиз-заслож-ногорельефаобдуваемойповерхностичувствительностьсенсораока-зываетсязначительнониже,апереходвтурбулентныйрежимнаблюдаетсяприменьшихскоростяхдвижениягаза.

3. Термическийконверторсреднеквадратичногозначениянапряжения

Врадиотехническихиэлектротехническихизмеренияхчастопри-ходитсяиметьделоспериодическимисигналами,зависимостьампли-тудыотвременикоторыхимеетсамыйразнообразныйвид.Дляколи-

чественногоописаниятакихсигналоввводитсяпонятиесреднеквадра-тичногозначениясигнала.Смыслсреднеквадратичногозначениясо-стоитвсопоставлениипериодическомусигналупроизвольнойформыэнергетическиэквивалентногопомощностипостоянногосигнала.На-пример,длянапряженияимеем:

v² 11^T



^{v2tdt, (3.3.1)}

0

R RT^п

гдеv–среднеквадратичноенапряжение;

v_п(t)–напряжениеперио-

^{дическогосигнала,зависящееотвремени;T–периодсигнала;R–активное}сопротивление.

Вправойилевойчастях(3.3.1)стоитмощность,выделяющаясянаактивномсопротивленииприпротеканиипеременноготока(праваячасть(3.3.1))илипостоянноготока(леваячасть).

Длясигналасинусоидальнойформы(3.3.1)принимаетособеннопростойвид:

2

v_пv_0sint

соотношение

v^2^v0, или

2

v^v0

2

. (3.3.2)

Напряжениеv,определенноесоотношением(3.3.2),называетсядействующим(илиэффективным)значениемсинусоидальногозначе-ния[3.8].

Длянесинусоидальныхсигналовсвязьмеждусреднеквадратичнымзначениемипараметрамисоответствующегопериодическогосигналастановитсяболеесложной,чемв(3.3.2).Крометого,формапериоди-ческогосигналазаранеедалеконевсегдаизвестна,поэтомузадачаэкспериментальногоопределениясреднеквадратичногозначениясиг-наладостаточноважнавпрактическомотношении.

Технологиямикросистемнойтехникипозволяетсоздаватьустрой-

ства,спомощьюкоторыхэтазадачауспешнорешается.Общаяидеяпостроениятакихустройствсприменениемтермическогопринципапреобразованиясостоитвследующем.Выделяющаясяэлектрическаямощностьв(3.3.1)приводиткразогревунекотороймассывеществаиповышениюеетемпературы,которуюможноизменитьспомощьютермочувствительныхэлементов,рассмотренныхвглаве2.Равенствомощностейвправойилевойчастях(3.3.1)соответствуетравенствутемпературрассматриваемоймассы,чтохорошорегистрируется.

Данныйтипустройств,строгоговоря,неотноситсякчислутерми-ческихсенсоров,посколькувходнаявеличинадлянего–электриче-скийсигнал,которыйзатемпреобразуетсявтермическийидалее–сновавэлектрическийсигнал.Поэтомудлятакоготипаустройствприменяетсятерминконвертор(илипреобразователь).

ПримертакогоконвертораописанвстатьеD.Jaeggicсоавторами[3.9].Структураконверторапредставленанарис.3.11.Вегосоставвходиткремниеваяподложка,вкоторойсформированоуглубление,^{тонкаябалочкаиздиоксидакремнияSiO}_2^{,прикрепленнаякпод-}

ложкесвоимикраямиисвободновисящаянадуглублениемвосталь-

нойсвоейчасти.НабалочкерасположеннагревающийрезисторR_низ

поликристаллическогокремнияибатареятермопарполикремний–

алюминийдляизмеренияразноститемпературT

междунагретойоб-

ластьюбалочкивозлерезистораихолоднойчастьювблизиместзакреп-

ления.ПерепадтемпературT

зависитотвходноймощности,выде-

ляющейсянанагревателеR_н,итепловойпроводимостибалочкиG.

4

Выходнойсигнал⁵ ₆

3

2

¹ Входнойсигнал

а б

Рис.3.11.Структураконвертора:

1–окнадляформированияуглубленийвкремниевойподложке;2–на-гревающийрезистор;3–балочкаиздвуокисикремния;4–выводытер-мобатареи;5–термобатарея;6–углублениевподложке;а–видвплане;б–изометрическаяпроекция

ЕслинарезисторR_н

подаватьпеременныйсигналv_п,товыходной

сигналбатареиоказываетсяравен

T

^vтп

NTNG^1

¹¹_v²⁽t)dt^{, (3.3.3)}

п

R_нT0

гдеN–числотермопарвбатарее;–коэффициенттермоЭДС.Для

термопарыполикремний–алюминийниенагревателя.

~50мкВ/К;

R_н–сопротивле-

ЕслиженарезисторR_н

подаватьпостоянноенапряжениеv,топо

(3.3.3)навыходебатареитермопарвозникаетвыходнойсигнал:

2

1^v

v_тпNG

R_н

. (3.3.4)

Приравенстве(3.3.3)и(3.3.4)устанавливаетсяоднозначноесоот-ветствиемеждуv_писреднеквадратичнымнапряжениемv.

Деталирасчетатермическойпроводимости(сопротивления)балоч-

киранеерассматривалисьвпараграфе1.7.Малыеразмерыбалочки(толщинаоколо0,6мкм)инизкаятеплопроводностьдиоксидакремнияприводятквысокимзначениямтермическогосопротивленияикза-

метнымперегревамдажепрималойвходноймощности

Pv^2R.

п н

Чувствительностьконвертора,определяемаякакотношениенапряже-

ниятермопарнойбатареиквходноймощности,

Sv_т

P,составляет

9,9В/Вт,постояннаявремени–

1,8510^3c,отношениесиг-

нал/шум–

810^9,нелинейность–меньше0,1%причастотахдо

400МГцинеболее1%причастотахдо1,2ГГц[3.9].

Особенностьтехнологическогопроцессаизготовлениярассмот-

ренногоконвертора–формированиеуглубленияпослетого какпостандартнойКМОП-технологиибылиизготовленытермопарыирези-стор,иприэтомнеприменялисьспециальныезащитныемаски.ДляпрофилированияприменялсяанизотропныйтравительEDP(см.часть1учебногопособия,подпараграф1.3.2).

ДругойвариантконверторабылреализованвработеE.Klaassenссотрудниками[3.10](рис.3.12).Вконверторепримененыдватермиче-скиизолированныхостровкамонокристаллическогокремния,поддер-

живаемыхбалочкамииздвуокисикремния.Формированиеуглубленияподостровкамиибалочкамипроизводилосьанизотропнымтравлениемвводномрастворегидроксидатетраметиламмониясэлектрохимиче-скойостановкойпроцессатравления.Каждыйизтермическиизолиро-ванныхостровков(тепловоесопротивлениеоколо37000К/Вт)со-держалнагревающийрезисториизмерительтемпературынаосновепрямосмещенногодиода.

³ 4

^Vdd

Входное

напряжение ²

+

_{1 –} +

Выходноенапряжение

5

Рис.3.12.Структураиблок-схемаконвертора:

1и2–островки;3и4–терморезисторы;5–усилитель

Входнойсигналv_п

приводиткповышениютемпературыпервого

островка(рис.3.12),чторегистрируетсядиодом.Повышениетемпера-

турывызываетизменениепотенциалаусилителя:

_v()

2

навходепредварительного

_v()_vd

^{1Rт1vвх,} (3.3.5)

^Rн1

где

_1–температурныйкоэффициентдиода,В/К;

R_н1–сопротивле-

ниенагревательногорезисторапервогоостровка;

R_т1–термическое

сопротивление первого островка;

T

v_d– напряжение питания;

v

п

вх

_21_

T₀

v²⁽t)dt.

Изменениепотенциала(3.3.5)благодаряналичиюотрицательнойобратнойсвязиприводиткпоявлениюпостоянноготокачерезнагре-вающийрезистор,расположенныйнавторомостровке,иповышениютемпературыпоследнего.Потенциалнавторомвходепредварительно-гоусилителятожеизменитсяистанетравным

_v()_vd

R

– v

^2^Rт2^2вых

н2

, (3.3.6)

гдеиндексом2обозначенывсевеличины,относящиесяковторомуостровку,v_вых–выходнойсигналусилителя.

Процессизменениятокаитемпературынавторомостровкепро-

должаетсядотехпор,поканенаступитравенствослучае

v^()v^().Вэтом

^1^Rт1_v²

_^2^Rт2_v² _,

^Rн1

вх вых

н2

R

откудаследуетвыражениедлясреднеквадратичногозначенияизме-ряемогосигнала:

_{v } ^1^Rн2^Rт1

v^2. (3.3.6)

R R

вых вх

2 н1 т2

Разработаннаятехнологияизготовленияконвертораполностьюсо-вместимасостандартнойКМОП-технологиейизготовленияинте-гральныхсхем,чтопозволитразмещатьусилителиинеобходимыеэлектронныецепинаодномкристалле.