ДАТЧИК СОСТАВА ГАЗА Российский патент 1996 года по МПК G01N27/12 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при разработке микроэлектронных датчиков состава газа.

Известна конструкция датчика химического состава газов [1] содержащая кремниевую подложку с выполненным на ее верхней поверхности слоем диоксида кремния, на котором последовательно выполнены тонкопленочный нагреватель, слой изолирующего диэлектрика и пленка чувствительного материала. Для повышения равномерности температуры чувствительного слоя часть подложки под пленочным нагревателем вытравлена по всей ее толщине, образуя усеченный конус.

Недостатком конструкции является низкое тепловое сопротивление между нагревателем и корпусом устройства, что приводит к повышению потребляемой мощности.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является датчик состава газа [2] содержащий кремниевую подложку с выполненной на ней мембраной из диоксида кремния, на которой последовательно сформированы резистивный нагреватель, слой изолирующего диэлектрика и пленка чувствительного материала.

Для повышения теплового сопротивления между нагревателем и кристаллодержателем (корпусом) и, следовательно, снижения потребляемой мощности область кремниевой подложки, расположенная под нагревателем, вытравлена на всю ее глубину, образуя мембрану из слоя диоксида кремния.

Недостатком конструкции является значительная неравномерность температуры по площади чувствительного слоя (температурный профиль имеет колоколообразную форму с максимумом в центре ввиду размещения резистивного нагревателя на значительной площади мембраны, включая ее центральную часть) с высоким тепловым сопротивлением тепловому потоку между центральной и периферийной областями резистивного нагревателя.

Техническим результатом изобретения является снижение потребляемой мощности и повышение повторяемости результатов измерений концентрации газов.

Результат достигается тем, что в датчике состава газа, содержащем кремниевую подложку с выполненной на ней мембраной из диоксида кремния, на которой последовательно сформированы резистивный нагреватель, слой изолирующего диэлектрика и пленка чувствительного материала, мембрана выполнена круглой, резистивный нагреватель выполнен в форме незамкнутого кольца, центр которого совпадает с центром круглой мембраны, а его внешний радиус меньше радиуса круглой мембраны, при этом пленочные контакты нагревателя выполнены на свободных торцовых кромках резистивного нагревателя.

На фиг. 1 изображена конструкция датчика; на фиг.2 изображен профиль температурного поля, создаваемого резистивным нагревателем.

Датчик содержит кремниевую подложку 1 с выполненной на ней круглой мембраной 2, на которой последовательно сформированы резистивный нагреватель 3 в форме незамкнутого кольца с пленочными контактами 4, слой изолирующего диэлектрика 5 и пленка 6 чувствительного материала (SnO₂, ZnO и др.). Кремниевая подложка 1 нижней поверхностью 7 прикреплена к кристаллодержателю 8.

Датчик работает следующим образом.

К пленочным контактам 4 резистивного нагревателя 3 подключается напряжение U, в результате чего температура нагревателя Т_н повышается относительно температуры Т_к кристаллодержателя (корпуса датчика) на величину Т Т_н Т_к U² x R_t/R (R сопротивление резистивного нагревателя; R_t тепловое сопротивление между резистивным нагревателем и кристаллодержателем). Ввиду малой толщины слоя изолирующего диэлектрика 5 температурное поле чувствительной пленки 6 (газочувствительного слоя) практически совпадает с температурным полем в области нагревателя 3, расположенной под газочувствительным слоем.

Выбранная топология резистивного нагревателя 3 обеспечивает высокую равномерность его температурного поля в области r r₁ (см.фиг.2, на котором r₁ и r₂ внутренний и внешний радиусы резистивного нагревателя; r_m радиус мембраны).

Равномерность температуры нагревателя и, следовательно, газочувствительной пленки обусловлена радиальной симметрией резистивного нагревателя и созданием адиабатических условий в области мембраны, ограниченной внутренним радиусом нагревателя.

При рабочей температуре в присутствии газовой среды сопротивление газочувствительной пленки является определенной функцией концентрации регистрируемого газа, которое регистрируется блоком обработки результатов.

В заявляемом датчике ввиду значительно меньшей площади резистивной области тепловыделения более чем в 1,5 раза возрастает тепловое сопротивление нагревателя и соответственно снижается потребляемая мощность.

Высокая равномерность температуры газочувствительного слоя повышает также точность результатов измерений, поскольку для каждой регистрируемой компоненты газа максимальная чувствительность достигается при определенной температуре газочувствительного слоя.

Формирование на мембране пленочных слоев с осесимметричной топологией, снижающее градиенты температуры в мембране, дополнительно приводит к повышению надежности датчика.

Изготовление нагревателя в заявляемом датчике не требует изменения и усложнения технологии производства.

Использование: в измерительной технике при разработке микроэлектронных датчиков состава газа. Сущность изобретения: датчик содержит кремневую подложку с выполненной на ней мембраной из диоксида кремния, на которой последовательно сформированы резистивный нагреватель, слой изолирующего диэлектрика и пленка чувствительного материала. Мембрана выполнена круглой. Резистивный нагреватель выполнен в форме незамкнутого кольца, центр которого совпадает с центром круглой мембраны, а его внешний радиус меньше радиуса круглой мембраны. Пленочные контакты нагревателя выполнены на свободных торцовых кромках резистивного нагревателя. 2 ил.

ДАТЧИК СОСТАВА ГАЗА, содержащий кремниевую подложку с выполненной на ней мембраной из диоксида кремния, на которой последовательно сформированы резистивный нагреватель, слой изолирующего диэлектрика и пленка чувствительного материала, отличающийся тем, что мембрана выполнена круглой, а резистивный нагреватель - в форме незамкнутого кольца, центр которого совпадает с центром круглой мембраны, а его внешний радиус меньше радиуса круглой мембраны, при этом пленочные контакты нагревателя выполнены на свободных торцевых кромках резистивного нагревателя.