ПРИМЕНЕНИЕ SiC -МИКРОНАГРЕВАТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ В МИКРОСИСТЕМНОЙ ТЕХНИКЕ
Рассмотрены приборы на основе карбида кремния, которые благодаря термической устойчивости последнего и его термомеханической совместимости с рядом материалов, обладающих диэлектрическими и пьезоэлектрическими свойствами, способны работать в экстремальных условиях, а по своим параметрам относятся к микросистемной технике. Это инфракрасные излучатели, термоанемометрические датчики, термомикрореакторы, различные термонагревательные элементы.
Введение
Традиционные представления о тепловых процессах как об относительно медленных и трудно поддающихся управлению, сформировавшиеся в макромире, теряют свою значимость при переходе на микроуровень. Управляемые нагрев и охлаждение ограниченных микрообъемов можно осуществлять с довольно большой скоростью, в первую очередь, благодаря эффектам, связанным с масштабированием. Это же относится и к скорости измерения ряда физических параметров с использованием тепловых характеристик. Современная микротехнология позволяет также осуществлять и эффективную тепловую развязку отдельных элементов конструкции. Сенсоры и актюаторы, функционирующие на основе тепловых процессов, отличаются простотой и низкой стоимостью, они достаточно хорошо адаптированы к традиционным материалам и технологиям.
В настоящей статье основное внимание уделено приборам на основе карбида кремния. Термическая устойчивость карбида кремния и термомеханическая совместимость с рядом материалов, обладающих диэлектрическими и пьезоэлектрическими свойствами, позволяют создавать уникальные объекты микросистемной техники, способные работать в экстремальных условиях [1].
Базовая структура сенсоров и актюаторов тепловых микросистем
Базовая структура ряда тепловых микросистем (микроизмерителей, микроизлучателей, микронагревателей) представляет собой резистор на тонкой мембране (рис. 1). Главной особенностью таких микросистем являются малые объемы нагреваемых областей, их тепловая изоляция и низкая инерционность, что обеспечивается расположением SiC-резистора на тонкой мембране. Диэлектрические слои, например нитрида алюминия, изолируют SiC-резистор от подложки [2]. Мембрана в подложке может быть сформирована как жидкостным анизотропным, так и "сухим" плазмохимическим травлением. В последнем случае можно получить практически отвесные стенки мембраны [3].
Рис. 1. Базовая структура семейства тепловых микросистем на основе SiC
Классическая температурная зависимость сопротивления объемного полупроводникового резистора имеет вид:
где – коэффициент, численно равный сопротивлению резистора при температуре, стремящейся к бесконечности; – коэффициент температурной чувствительности резистора.
Однако, как показали проведенные нами исследования, терморезисторы на основе слоев карбида кремния, полученных методом ионно-химического осаждения, лучше аппроксимируются другой температурной зависимостью сопротивления:
где – коэффициент, численно равный сопротивлению резистора при температуре, стремящейся к нулю. Справедливость данного выражения наблюдалась нами при температурах до 1000 К (при кОм, К).
Отрицательное значение температурного коэффициента сопротивления позволяет сделать предположение о наличии участка отрицательного дифференциального сопротивления на вольтамперной характеристике (ВАХ).
Рассмотрим ВАХ реального терморезистора, используя полученное выражение для температурной характеристики. Для этого запишем уравнение теплового баланса:
где - коэффициент теплообмена, Вт/К; – температура окружающей среды.
Используя выражения (1) и (2), можно записать ВАХ терморезистора в параметрическом виде:
В результате анализа системы уравнений (3) получим выражение для дифференциального сопротивления терморезистора:
Отсюда следует условие возникновения участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением:
которое для исследованных нами терморезисторов ( К) примет вид:
Температура терморезистора в точке максимума напряжения на ВАХ
Рис. 2. ВАХ микронагревательной структуры при различных условиях охлаждения (коэффициентах теплообмена)
Отсюда можно сделать вывод о том, что для рассмотренных видов резисторов температура в точке максимума напряжения определяется только температурой окружающей среды и материалом чувствительного элемента и не зависит от условий охлаждения терморезистора. На графике ВАХ (рис. 2) видно, что статическое сопротивление в точках максимума одинаковое (пунктирная линия). Зависимости рассчитаны для различных коэффициентов теплообмена: зависимость 1 – для коэффициента теплообмена Вт/К, зависимость 2 – для Вт/К и зависимость 3 - для Вт/К.
Рис. 3. Эквивалентная тепловая схема терморезистора
При рассмотрении тепловых процессов удобно воспользоваться методом аналогий, а именно - электротепловыми аналогиями. Эквивалентная тепловая схема терморезистора на мембране состоит из резистора , конденсатора и источника тока (рис. 3). Резистор характеризует теплопередачу от мембраны на корпус и во внешнюю среду, конденсатор – теплоемкость мембраны, а источник тока - выделение теплоты при прохождении тока через терморезистор.
В табл. 1 приведено соответствие аналогий тепловых и электрических величин [4]. Постоянная времени остывания системы
где - тепловое сопротивление между мембраной и внешней средой (основанием чипа и воздухом); - теплоемкость мембраны.
Представленная эквивалентная схема не учитывает теплопередачу за счет излучения, что потребовало бы введения дополнительного нелинейного элемента, например, аналога диода, аппроксимирующего функцию
Таблица 1. Аналогии тепловых и электрических величин
Тепловая величина
Электрическая величина
Тепловой поток , Вт
Количество теплоты , Дж
Тепловое сопротивление , К/Вт
Электрическое сопротивление , Ом
Электрическая емкость , Ф
Инфракрасный излучатель
Рис. 4. Спектральная характеристика ИК-излучателя
Выделение теплоты при протекании тока через резистор может сопровождаться излучением (видимым либо инфракрасным). Уникальность карбидокремниевого (SiC) излучателя состоит в том, что его спектр излучения близок к спектру излучения абсолютно черного тела, так как он имеет коэффициент теплового излучения (коэффициент черноты), близкий к единице. На рис. 4 показана типичная спектральная характеристика созданного нами ИК микроизлучателя на основе базовой структуры при температуре нагревательного элемента 800°С, при этом потребляемая микроизлучателем мощность составляет 2,5 Вт.
Таблица 2. Базовые параметры ИК излучателя на основе SiC
Параметр
Значение
Диапазон сопротивлений (при 20 °С)
На рис. 5 и 6 представлены фотографии ИК излучающего элемента и самого прибора в корпусе. Базовые параметры ИК излучателя на основе SiC представлены в табл. 2. Уникальность излучателей данного типа заключается в том, что они могут работать длительное время на открытом воздухе при температуре до 1000°С без использования защитных покрытий, которые ухудшали бы их временные параметры и искажали спектральную характеристику.
Рис. 5. Фотография ИК-излучающего элемента
Рис. 6. Фотография ИК-излучателя в корпусе
Область применения ИК микроизлучателей: дистанционный нагрев локальных областей твердого тела и жидкостей, ИК спектрометрия жидкостей и газов.
Термоанемометрические датчики
Основной проблемой, возникающей при измерении скоростей потоков с помощью термоанемометров, является зависимость их показаний от температуры потока. Поэтому приходится вводить дополнительный датчик температуры и схему компенсации влияния температуры на показания термоанемометра. Представляют интерес конструкции датчиков потока, в которых компенсация влияния температуры происходит не во внешней цепи, а в самом датчике, что облегчает применение таких датчиков и снижает их стоимость.
Наличие точки максимума напряжения на ВАХ резистора позволило нам предложить конструкцию датчика, которая дает возможность одновременно измерять скорость и температуру газового потока. Для этого измерительная схема должна поддерживать ток, питающий резистор, таким, чтобы напряжение на нем было максимальным. Определение положения точки максимума может быть получено добавлением малой переменной составляющей к основному питающему току. Таким образом, температура резистора, а следовательно, и его статическое сопротивление однозначно определяются температурой окружающей среды в соответствии с выражением (4), а мощность в точке максимума определяется только скоростью потока [5].
Высокие тепловая, химическая и радиационная стойкости карбида кремния позволяют использовать датчики данного типа в экстремальных условиях эксплуатации. Кроме того, благодаря расположению чувствительного элемента датчика на мембране улучшаются временные свойства датчика.
На основе базовой структуры нами разработаны и другие типы термических датчиков потока. Их особенностью является адаптация к условиям охлаждения, что обеспечивает расширение рабочего диапазона и повышение точности измерений. В одной из подобных конструкций применены два резистора [6]. Первый резистор находится на мембране и его температура поддерживается выше температуры окружающей среды на определенную величину. Второй резистор, имеющий хороший тепловой контакт с кристаллом, измеряет температуру окружающей среды. Мощность, затрачиваемая на поддержание температуры первого резистора, пропорциональна коэффициенту теплоотдачи , который, в свою очередь, связан со скоростью потока формулой Кинга:
где и – коэффициенты, зависящие от конструкции датчика; – скорость потока.
Чувствительность таких датчиков составляет порядка 1 В/(м/с) в диапазоне скоростей воздушного потока 0,1. 10 м/с.
Микронагревательный инструмент
Микронагрев в локальных объемах и поддержание постоянства температуры, в том числе высокой температуры, в условиях воздушной среды определяют необходимость разработки и создания высокоэффективных микроструктур, интегрирующих малогабаритный источник теплоты – нагреватель и средства измерения температуры – температурный сенсор. Применение таких технологических микросистем в области медицины является весьма актуальным, так как одной из основных проблем хирургического вмешательства до сих пор остается обильное кровотечение в месте проведения разреза. Существующие лазерные и электрохирургические установки для коагуляции обладают целым рядом недостатков, которые сдерживают их внедрение [7]. Многие хирургические задачи, такие как стерилизация, коагуляция, деструкция, могут быть успешно решены применением локального воздействия высокой температуры.
Задача управления процессом коагуляции заключается, в первую очередь, в поддержании температуры лезвия в заданных пределах независимо от таких условий, как глубина погружения лезвия в ткань, скорость движения лезвия, параметры ткани. Температурный диапазон коагуляции для различных видов ткани находится в пределах 55. 70°С. Математическое моделирование и расчеты показали, что для обеспечения равномерности нагрева лезвия или создания требуемой картины теплового поля следует применять две или три секции микронагревателей, расположенных вдоль режущей кромки (рис. 7).
Рис. 7. Конструкция лезвия с нагреваемой режущей кромкой
На рис. 8 приведен профиль распределения температуры по длине лезвия, полученный математическим моделированием процессов теплопередачи. Согласно тем же расчетам, максимальная необходимая для коагуляции мощность составляет 30 Вт [8]. Время реакции системы на изменение условий охлаждения составляет не более 0,2 с. В предложенной конструкции датчики температуры и нагреватели выполнены раздельно, так как высокая сила питающих токов нагревателей не позволяет использовать их в качестве датчиков температуры из-за большого уровня шумов и значительного падения напряжения на металлизации и контактных площадках. Напряжение питания скальпеля составляет 10. 12 В, что позволяет применить автономный источник питания и обеспечивает электробезопасность в работе.
Рис. 8. Семейство кривых распределения температуры по длине нагреваемого лезвия при различных скоростях его движения
Фотография сапфирового лезвия с несколькими микронагревателями, расположенными вблизи режущей кромки, представлена на рис. 9, а ). Схема управления поддерживает температуру лезвия в заданных пределах и позволяет управлять температурой с помощью компьютера (рис. 9, б ). Сигнал с датчиков температуры сравнивается с опорным сигналом, вырабатываемым микропроцессором в зависимости от требуемой температуры лезвия. Для повышения КПД работы схемы управление нагревателями осуществляется в ключевом режиме. Роль электронных ключей выполняют мощные МДП транзисторы.
Рис. 9. Лезвие термокоагулирующего скальпеля с системой микронагревателей и датчиков температуры на основе SiC
Перспективность использования сапфира и карбида кремния в хирургии в первую очередь определяется их высокими механическими свойствами и биологической инертностью. Таким образом, данная разработка позволит осуществлять проведение уникальных хирургических операций с минимальными потерями крови и ускоренным заживлением операционных ран в результате протекания процессов коагуляции на лезвии режущего инструмента. Использование такого скальпеля особенно актуально при проведении неотложных операций в полевых условиях.
Термомикрореактор
Миниатюрные аналитико-технологические системы [9] представляют собой новый класс приборов для проведения исследований в микрообъемах с использованием сверхмалых количеств веществ. Например, ДНК анализ стал важным методом современной медицины для идентификации личности, выявления скрытых инфекций. Часто в этих случаях количество анализируемого вещества достаточно мало, что делает прямое определение невозможным. Поэтому для увеличения анализируемой последовательности нуклеиновых кислот микроаналитический чип оборудуется реактором с управляемыми нагревом и охлаждением для проведения полимеразной цепной реакции (ПЦР). Процесс ПЦР включает в себя ряд циклов нагрева (25-30). Каждый цикл увеличивает число ДНК в 2 раза. В результате проведения процесса термоциклирования единичная ДНК молекула может быть скопирована большое число раз для получения числа молекул, достаточного для легкого детектирования.
Рис. 10. Конструкция ПЦР микрореактора
Одна из возможных конструкций реактора представлена на рис. 10. Наличие тонких пленок нитрида кремния дает возможность получения камер с прозрачными мембранами для оптического анализа продуктов реакции.
Для эффективного и быстрого переноса теплоты желательно иметь систему с низкой тепловой емкостью, которая обеспечивает быстрый нагрев и охлаждение жидкости. Миниатюризация приводит к тому, что термическая масса блока нагрева уменьшается. Реакционная камера подвешена на четырех брусках и таким образом термически изолирована от субстрата. Камера с находящейся в ней жидкостью может быть достаточно быстро нагрета с помощью микронагревателей, расположенных непосредственно под стенками камеры. Во время стадии охлаждения теплота передается из камеры к корпусу чипа, который имеет постоянную низкую температуру.
Рис. 11. Эквивалентная тепловая схема ПЦР микрореактора
На рис. 11 представлена эквивалентная тепловая схема ПЦР микрореактора. Резистор и конденсатор характеризуют соответственно теплопередачу от стенок реактора на корпус кристалла и теплоемкость стенок реактора; резистор и конденсатор - теплопередачу от содержимого реактора во внешнюю среду и теплоемкость содержимого реактора; резистор – теплопередачу от нагревателя к содержимому реактора через стенки реактора. Из рассмотрения эквивалентной тепловой схемы следует, что для обеспечения возможности быстрого нагрева и охлаждения реактора сопротивление резистора и емкость конденсатора должны быть минимальны, а сопротивление резистора должно выбираться исходя из заданной скорости охлаждения и мощности источника тока.
В работе [10] нами была предложена конструкция микрореактора, в котором нагреватели и датчики температуры были выполнены из карбида кремния, превосходящего традиционный кремний по химической стойкости и теплопроводности. При объеме микрореактора 10 мкл скорость изменения температуры в интервале 20. 100 °С может находиться на уровне 0,1. 0,2 с. Достигаемая в микрореакторах локальность, а также временная прецизионность воздействий повышает скорость и эффективность протекания процессов.
Теплофизические свойства и химическая инертность карбида кремния позволяют при переходе на микроуровень создавать уникальные элементы микросистемной техники на основе процессов поглощения и выделения теплоты. Благодаря миниатюризации исполнительных элементов датчиков снижается их собственное тепловое воздействие на измеряемые параметры, а также потребляемая мощность.
Кроме рассмотренных в данной статье типов приборов существует еще целый ряд устройств микросистемной техники, основанных на тепловых принципах работы – микроклапаны и микронасосы, микрореле, а также активаторы технологических процессов в локальных объемах.
1. Luchinin V.V., Korlyakov A.V. The Silicon Carbide-on-Insulator (SCOI) Structure as a Subject of High-Temperature Electronics // The Second European Conference on High Temperature Electronics (HITEN 97), September 1997, Manchester, England. 1997. P. 3-5.
2. Способ управления процессом получения эпитаксиальной полупроводниковой структуры. Патент России № 2132583 от 27.06.99. В . В . Лучинин , А . В . Корляков , С . В . Костромин .
3. Korlyakov A.V., Luchinin V.V., Nikitin I.V., Busch V., Liess H.D., Lademann J. Stable Integrated SiC-Based Microsystems: Heater/Temperature Sensor // 4-rd International Workshop on Thermal Investigations of ICS and Microstructures (TERM1NIC 1998), September 1998, Cannes, France.
4. Тетельбаум И.М., Тетельбаум Я.И. Модели прямой аналогии. М.: Наука, 1979. 236с.
5. Никитин И.В. Новый активный датчик температуры и газовых потоков // Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике (30.11.99-03.12.99) Тез. докл. СПб . 132 с .
6. The Two Sensor Microflown / H.-E.De Bree, Leussink P., Korthorst T. М . Elwenspoek // Eurosensors X, Leuven, Belgium, 8-11 September, 1996. P. 1301-1304.
7. Неворотин А.И. Введение в лазерную хирургию. СПб, 2000.
8. Электрохирургический скальпель. Положительное решение от 07.05.99 по заявке № 98123393/14(025808) от 29.12.98. В.В. Лучинин, А.В. Корляков, И.В. Никитин, Х.Д. Лисе, Ю. Ладеманн, Ф. Буш.
9. Daniel J.H., Iqbal S., Millington R.B., Moore D.F., Lowe C.R., Leslie D.L., Lee M.A., Pearce M.J. Silicon microchambers for DNA amplification// Sensors and Actuators. A 71, 1998. P. 81-87.
10. Корляков А.В., Лучинин В.В. Перспективная элементная база микросистемной техники // Микросистемная техника. 1999. № 1. С.12-15.