ДАТЧИК ГАЗА Российский патент 1995 года по МПК G01N27/12 

Изобретение относится к исследованию или анализу материалов с помощью электрических средств, в частности к газовым детекторам с твердотельным чувствительным элементом.

В настоящее время в газоаналитическом приборостроении широко используются детекторы на основе металлоокисных полупроводников. Они представляют собой резистор в виде либо маленькой керамической бусинки, либо в виде толсто- или тонкопленочного слоя, нанесенного на изолирующую подложку. Сопротивление этого резистора обратимо изменяется при хемосорбции регистрируемых газов на поверхности полупроводника. Такие датчики кроме токовых контактов могут иметь и нагревательные контакты, необходимые для подогрева датчика. Это используется для увеличения чувствительности и быстродействия. Для этих датчиков характерны низкая стоимость, малые размеры, высокая чувствительность. Наиболее перспективными с точки зрения повышения производительности труда, снижения стоимости, потребляемой мощности, уменьшения габаритов являются тонкопленочные датчики.

Однако они имеют существенные недостатки: плохую воспроизводимость параметров, малый срок службы, требуют индивидуальной калибровки.

Известны также микроэлектронные датчики газа в виде в основном кремниевых МДП-структур с палладиевым затвором емкостей или транзисторов и кремниевых диодов Шоттки с палладиевым электродом. Эти датчики изготавливаются с помощью стандартной технологии кремниевых интегральных схем.

При использовании этих датчиков в цифровых микропроцессорных системах необходимо применять дорогостоящие аналого-цифровые преобразователи.

Наиболее близким к изобретению является газовый датчик. Он выполнен в виде полупроводниковой пластины, на одной стороне которой расположены диэлектрическая область и слой адсорбирующего материала, на котором размещен первый электрод, на другой стороне размещен второй электрод.

Для него характерен один существенный недостаток: его выходной сигнал является аналоговым это постоянное напряжение или ток. Для современных цифровых вольтметров класс точности составляет не выше 0,02. Поэтому недостатком такого датчика является невысокая точность.

Устранить этот недостаток можно путем использования частотного выходного сигнала газового датчика, поскольку современные частотомеры имеют точность ± 1 ˙ 10^-12.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является увеличение точности.

Это достигается тем, что в отличие от известного газового датчика, содержащего полупроводниковую пластину, на одной стороне которой расположены диэлектрическая область и слой адсорбирующего материала, на котором размещен первый электрод, на другой стороне размещен второй электрод, в заявляемом техническом решении диэлектрическая область расположена по периферии пластины, на оставшейся части которой выполнен туннельно-тонкий диэлектрический слой, в полупроводниковая пластина содержит высокоомную область того же типа проводимости, что и полупроводниковая пластина, расположенная под слоями диэлектрика, причем первый электрод расположен по периферии пластины над диэлектрической областью, а отношение концентрацией неосновных и основных носителей зарядов высокоомной области превышает отношение времен жизни коротко- и долгоживущих носителей заряда.

Полупроводниковая пластина выполнена на основе кремния. В качестве примеси в высокоомной области содержится цинк.

Металлический адсорбирующий слой выполнен из металлов платиновой группы палладия или платины. Туннельно-тонкий диэлектрический слой выполнен из двуокиси кремния. Туннельно-тонкий диэлектрический слой выполнен двухслойным. В качестве двухслойного туннельно-тонкого диэлектрического слоя используют пленки Si₃N₄ и SiO₂ или Al₂O₃ и SiO₂, причем пленка SiO₂ расположена на поверхности кремния.

Материалом высокоомного полупроводникового слоя служит эпитаксиальная пленка полупроводника, легированного мелковой и глубокой примесями при выполнении указанного выше соотношения. Известно, что в таком материале при электрических полях Е_с постоянного тока порядка 10 В/см возбуждается электрическая неустойчивость типа рекомбинационных волн. В электрической цепи постоянного тока, состоящей из источника питания постоянного тока, нагрузочного резистора и высокоомного полупроводникового слоя заявляемого устройства, включенного посредством металлических электродов согласно указанной полярности, генерируются синусоидальные автоколебания тока звуковой частоты. Предлагаемый датчик помещается в анализируемую газовую среду. При этом детектируемый газ, например молекулярный водород, адсорбируется на металлическом катализаторе. Далее он растворяется в нем, диссоциирует на атомы и под действием градиента концентрации диффундирует к границе раздела металл-туннельно-тонкий диэлектрик. На границе он диссоциирует на положительный ион водорода Н⁺, который остается на границе раздела, и электрон, который остается в металле. В результате образуется диполь, который изменяет высоту барьера Шоттки Φ_ви на величину ΔΦ_в, что в свою очередь приводит к изменению обратного тока (насыщения) барьера Шоттки, который описывается выражением
I_s= ζAT²exp где ζ вероятность туннелирования электрона через тонкий изолирующий слой; А эффективная постоянная Ричардсона; Т абсолютная температура; q заряд электрона; k постоянная Больцмана. Поскольку используются омические контакты к высокоомному полупроводниковому слою, то прямое падение напряжения на этом слое v пропорционально протекающему току I. Увеличение точности в заявляемом техническом решении по сравнению с прототипом происходит потому, что в нем используется зависимость частоты автоколебаний тока, вызванных возбуждением рекомбинационных волн, от протекающего тока или приложенного прямого напряжения. Как показывают эксперименты, эта зависимость характеризуется коэффициентом
k_v 1-2%/В. Таким образом, концентрация детектируемого газа непосредственно преобразуется в частоту переменного тока, которая имеет достаточно высокую стабильность 0,02-0,05% поэтому предлагаемого устройство имеет большую точность, чем прототип.

Предлагаемый датчик газа поясняется чертежом, на котором 1 высокоомный полупроводниковый слой, 2 металлический адсорбирующий слой, 3 туннельно-тонкий диэлектрик, 4 металлический электрод катод, 5 маска двуокиси кремния, 6 низкоомный полупроводниковый слой, 7 металлический электрод анод.

Предлагаемый датчик газа работает следующим образом.

Посредством металлического электрода 4, находящегося на металлическом адсорбирующем слое 2, расположенном на маске двуокиси кремния 5, и металлического электрода 7, расположенного на низкоомном полупроводниковом слое 6, датчик подключается в цепь по постоянному току с источником питания напряжения V_o 10 В и нагрузочным резистором с номиналом R_i 220 кОм. При этом в цепи спонтанно возбуждаются колебания тока с амплитудой U_о 200 мВ и частотой f_o 176 Гц. При продуве через датчик исследуемой, например, водородсодержащей смеси, обычно N₂ + H₂, где содержание водорода составляет 1000 ppm, происходит адсорбция водорода на палладиевом слое 2, его растворение в нем, диссоциация и диффузия к границе раздела SiO₂(3) V Si <Zu>(1), уменьшение величины барьера Шоттки Φ_ви и в соответствии с этим изменение (увеличение) тока в цепи. Последнее приводит к увеличению напряженности электрического поля в материале датчика в соответствии с Е ρ I. Это, в свою очередь, приводит к изменению частоты автоколебаний тока, которое составляет Δf= 18,3 Гц. Это изменение, отнесенное к самой частоте, равно 9,6%
Поскольку стабильность частоты колебаний равна 0,02-0,05%то Δ f 0,035-0,088 Гц, поэтому пороговая точность разрешения концентрации водорода составляет для предлагаемого технического решения ΔC= 2-5 ppm, что почти на порядок больше, чем у прототипа.

Заявляемый полупроводниковый датчик газа сможет найти применение в аналитическом приборостроении при создании цифровых газоанализаторов.

Использование: для определения различных газов. Сущность изобретения: датчик содержит полупроводниковую пластину, на одной стороне которой расположены диэлектрический слой и слой адсорбирующего металла, на котором размещен первый электрод, а другой электрод размещен на другой стороне пластины. Диэлектрический слой расположен по периферии пластины, а на оставшейся части пластины выполнен тунельно-тонкий диэлектрический слой. Полупроводниковая пластина содержит высокоомную область того же типа проводимости, что и пластина, расположенную под слоями диэлектрика. Электрод расположен по периферии над диэлектрическим слоем. 7 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. ДАТЧИК ГАЗА, содержащий полупроводниковую пластину, на одной стороне которой расположены диэлектрический слой и слой адсорбирующего металла, на котором размещен первый электрод, а на другой стороне пластины размещен второй электрод, отличающийся тем, что диэлектрический слой расположен по периферии пластины, на оставшейся части которой выполнен туннельно-тонкий диэлектрический слой, а полупроводниковая пластина содержит высокоомную область того же типа проводимости, что и полупроводниковая пластина, расположенная под слоями диэлектрика, причем отношение концентраций неосновных и основных носителей заряда в высокоомной области превышает отношение времени жизни коротко- и долгоживущих носителей заряда, при этом электрод расположен по периферии пластины над диэлектрическим слоем. 2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что полупроводниковая пластина выполнена на основе кремния. 3. Датчик по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что высокоомная область в качестве примеси содержит цинк. 4. Датчик по пп. 1 3, отличающийся тем, что металлический адсорбирующий слой выполнен из металлов платиновой группы. 5. Датчик по п. 4, отличающийся тем, что в качестве металлов платиновой группы используют палладий или платину. 6. Датчик по пп. 1 5, отличающийся тем, что туннельно-тонкий диэлектрический слой выполнен из двуокиси кремния. 7. Датчик по пп. 1 5, отличающийся тем, что туннельно-тонкий диэлектрический слой выполнен двухслойным. 8. Датчик по п. 7, отличающийся тем, что в качестве двухслойного туннельно-тонкого диэлектрического слоя используют пленки Si₃N₄ и SiO₂, или Al₂O₃, или SiO₂, причем пленка SiO₂ расположена на поверхности кремния.