СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА ГАЗОВОГО ДАТЧИКА Российский патент 1997 года по МПК G01N27/12 

Предполагаемое изобретение относится к области аналитического приборостроения, а именно к технологии изготовления чувствительных элементов датчиков газов, и может быть использовано в производстве приборов и устройств для анализа газового состава окружающей среды.

Известен способ изготовления газового датчика, включающий изготовление пасты из газочувствительных компонентов, нанесение ее на две металлические спирали, одна из которых служит нагревателем, а другая используется для измерения электропроводности газочувствительного слоя, и отжиг сформированного таким образом датчика при высоких (≈ 100^oC) температурах. [1]
Недостаток способа [1] в том, что датчики, изготовленные с его использованием, имеют низкое быстродействие и функционируют при высоких температурах, что связано со значительными энергозатратами. Кроме того, трудоемкой является и технология реализации способа [1] в частности процесс изготовления паст для чувствительного элемента.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ изготовления полупроводникового датчика состава газов, включающий нанесение на диэлектрическую подложку слоев металла и формирование в них нагревателя, системы электродов и нанесение пленки фталоцианина металла [2]
Способ [2] принятый за прототип к заявляемому, в отличие от способа [1] позволяет изготавливать по групповой (микроэлектронной) технологии датчики, обладающие высоким быстродействием и работающие при сравнительно низких температурах (до 250^oC).

Недостаток способа [2] в том, что используемым при его реализации пленкам органических полупроводников фталоцианинов металлов в силу специфики межмолекулярных связей и кристаллической структуры присуща нестабильность физико-химических свойств, особенно при повышенных температурах. Протекающие в газочувствительном слое деградационные процессы обуславливают снижение чувствительности датчика к анализируемым газам.

Технический результат изобретения повышение чувствительности полупроводниковых датчиков за счет стабилизации физико-химических свойств газочувствительных пленок.

Данный результат достигается тем, что в способе изготовления чувствительного элемента газового датчика, включающем нанесение пленки фталоцианина металла на электроды, после нанесения пленки фталоцианина металла структуру облучают рентгеновскими лучами с энергией 150 200 кэВ дозой (4,5 - 9) 10³P.

Новым, необнаруженным при анализе патентной и научно-технической литературы в заявляемом способе является то, что после нанесения пленки фталоцианина металла структуру облучают рентгеновскими лучами с энергией 150 - 200 кэВ дозой (4,5 9) 10³P. Эти признаки являются существенными для достижения поставленной цели и отличают заявляемый способ от известных технических решений.

Заявляемый способ осуществляют следующим образом. На поверхность с электродами любым из известных методов наносят пленку фталоцианина металла заданной толщины. После этого структуру подвергают облучению рентгеновскими лучами с энергией 150 200 кэВ. При этом длительность облучения выбирают таким образом, чтобы суммарная доза излучения, падающего на структуру соответствовала дозе из интервала (4,5 9) 10³P 4,5 9 кР. Сам факт позитивного влияния рентгеновского излучения на газочувствительные свойства пленок фталоцианина металла и режимы облучения, при которых эффект максимален были определены экспериментально. Эксперименты выполнялись на структурах, изготовленных на подложках из ситалла СТ-50-1. Нагреватель в виде меандра, охватывающего область с измерительными электродами, и всю систему электродов создавали вакуумным напылением с последующим фотолитографическим формированием топологического рисунка на пленках никеля толщиной 0,1 мкм. Толщина контактных площадок из никеля или золота к электродам составляла 2 3 нкм.

Пленки фталоцианина меди на измерительные электроды (встречно-штыревая система) наносили методом термического вакуумного напыления на установке ВУП-5. Толщина пленок составляла 20 30 нм. Изготовленные таким образом структуры облучали на установке "Кавказ" рентгеновскими лучами в диапазоне энергий 100 300 кэВ. Дозу облучения варьировали путем изменения длительности воздействия рентгеновских лучей на структуры. Максимальная доза облучения составляла 10 кР.

Датчики, вмонтированные в корпуса типа ТМД-620, испытывали на чувствительность к сероводороду в интервале температур 150 175^oC на стандартном газовом стенде, состоящем из генератора газа-носителя (чистый воздух), смесительного блока, расходомеров и электронной измерительной системы. Чувствительность датчиков к сероводороду в концентрациях до 10 мг/м³ определяли как относительное пpиpощение в пpоцентах электpического сопpотивления пленки фталоцианина в исследуемой сpеде (R) к сопpотивлению в чистом воздухе (R₀):

Экспеpименты показали: 1. Сpедняя чувствительность датчиков к сеpоводоpоду пpи концентpации 10 мг/м³ до облучения pентгеновскими лучами не пpевышала 6-7% 2. После облучения pентгеновскими лучами чувствительность возpастала до 20-24% пpичем максимальный положительный pезультат достигался пpи энеpгии pентгеновских лучей в диапазоне 150-200 кзВ и дозе облучения из интеpвала 4,5-9 кР. Пpи энеpгиях ниже 150 кэВ и дозах менее 4,5 кР чувствительность уменьшается пpиблизительно по экспоненциальному закону. Пpи облучении в указанных pежимах чувствительность достигает максимума и ее значение стабилизиpуется. Последнее свидетельствует о нецелесообpаз- ности облучения пpи энеpгиях более 200 кэВ и дозах выше 9 кР из-за увеличения энеpгозатpат на pадиационную обpаботку.

Положительный pезультат пpи pеализации заявляемого способа достигается благодаpя тому, что ионизиpующее излучение активиpует пеpестpойку межмолекуляpных связей в пленке фталоцианина, вследствие котоpой стабилизиpуется стpуктуpа полупpоводника (подавляются pелаксационные пpоцессы) и одновpеменно возpастает число адсоpбционных центpов на pеакционной повеpхности для молекул сеpоводоpода. На стабилизацию стpуктуpы, т.е. пеpеход ее в теpмодинамически pавновесное состояние указывает, в частности, обнаpуженный в экспеpиментах факт повышения электpического сопpотивления пленок, означающий снижение в pезультате облучения концентpации центpов генеpации носителей заpяда, вносящих энеpгетические уpовни в запpещенную зону полупpоводника. Такими центpами, в пеpвую очеpедь, являются слабые, нестабильные межатомные и межмолекуляpные связи.

Эффективность заявляемого способа иллюстpиpуют следующие пpимеpы пpактической апpобации.

Пpимеp 1.

По описанной выше технологии изготавливали датчики на сеpоводоpод, испытания котоpых на газочувствительность пpоводили в атмосфеpе с концентpацией H₂S pавной 10 мг/м³. Часть датчиков пеpед испытаниями подвеpгали облучению pентгеновскими лучами в pазличных pежимах. Полученные pезультаты пpедставлены в табл. 1
Как видно из данных табл. 1, во-первых, вследствие рентгеновского облучения существенно возрастает газочувствительность датчиков и, во-вторых, наибольший эффект достигается при режимах воздействия: энергия 150 200 кэВ и доза 4,5 9 кР.

Пример 2. Датчики, изготовленные по технологии способа-прототипа [2] и заявляемому способу (облучение рентгеновскими лучами с энергией 200 кэВ, дозой 9 кР), испытывали на стабильность газочувствительных свойств при температуре 175^oC в атмосфере сероводорода.

В результате испытаний установлено, что снижение чувствительности датчиков, изготовленных по способу-прототипу, в е-раз происходит в течение 24 25 мин. а датчиков, прошедших радиационную обработку за (9 - 10)10³ мин.

Т.е. изготовление датчиков по заявляемому способу обеспечивает не только увеличение чувствительности, но и повышает стабильность газочувствительных свойств.

Использование: в аналитическом приборостроении. Сущность изобретения: способ изготовления чувствительного элемента газового датчика включает нанесение пленки фталоцианина металла на электроды и последующее облучение пленки рентгеновскими лучами с энергией 150 - 200 кэВ дозой (4,5 - 9) 10³ P. 1 табл.

Способ изготовления чувствительного элемента газового датчика, включающий нанесение пленки фталоцианина металла на электроды, отличающийся тем, что после нанесения пленки фталоцианина металла структуру облучают рентгеновскими лучами с энергией 150 200 кэВ дозой (4,5 9) • 10³Р.