ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДАТЧИК ГАЗОВ Российский патент 1998 года по МПК G01N27/12 

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к полупроводниковым газовым датчикам для контроля токсичных газов.

Распространенная конструкция полупроводникового датчика газа представляет собой электроизолирующую подложку, на которой размещены металлический нагревательный элемент с изолирующим покрытием или без него, термочувствительный элемент для детектирования температуры чувствительного слоя и газочувствительный слой с электродами для генерирования выходного сигнала в ответ на газ, влажность и другие внешние воздействия. Вышеописанные элементы могут быть расположены как на одной стороне подложки, так и с противоположных сторон [1,2].

Однако следует отметить сложность конструкции этих датчиков и технологии их изготовления, 'а также их высокую стоимость за счет большого числа операций. Кроме того, отмечается существенное ухудшение изоляционных свойств соответствующего покрытия при высоких температурах и в результате этого возникновение электрической связи между элементами датчика, расположенными в различных слоях. Использование нагревателя из диоксида олова может привести к деградации параметров пленки диоксида олова при высоких температурах.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам к данному изобретению является конструкция газового датчика, содержащая толстопленочный резистивный нагревательный элемент из вольфрама и платины, размещенный на одной стороне изоляционной подложки, который сверху покрыт пленкой из оксида алюминия. Поверх пленки нанесены контакты в форме гребенки из благородного металла (золото) для газочувствительного элемента. Газочувствительный элемент представляет собой полупроводник из оксида металла. Сверху вся конструкция покрыта пленкой катализатора из пористого алюминия с включениями платины [3].

Недостатками данного устройства являются необходимость дополнительной межслоевой диэлектрической изоляции и технологическая сложность изготовления прибора. Кроме того, эта конструкция не дает возможности контролировать температуру чувствительного слоя. К недостаткам конструкции также относится необходимость использования драгоценных металлов (золото и платина), что удорожает изделие.

Изобретение направлено на упрощение конструкции и повышение надежности газового датчика.

Это достигается тем, что многослойное устройство заменяется на однослойное, уменьшается количество и вид металлизации, изменяется конструкция нагревателя. Для контроля температуры газочувствительного слоя в данной конструкции предусмотрен термодатчик. Для повышения однородности нагрева однослойной структуры в качестве подложки используются пластины кремния толщиной 400 мкм с высокой теплопроводностью, а расстояние между крайними элементами датчика уменьшается до 1,5 мм. С целью повышения надежности и стабильности датчика при длительной работе в качестве изолирующего слоя использована двуокись кремния, отличающаяся высокой термической стабильностью при температурах работы датчика. Все элементы датчика, кроме чувствительного слоя, выполнены из одного термостойкого и коррозионно-стойкого материала на основе платины.

На фиг.1 представлен вид газового датчика сверху; на фиг.2 - то же, поперечный разрез.

Позиции на чертеже обозначают: подложка из кремния 1; изолирующий слой диоксида кремния 2; нагреватель титан-платина 3; термодатчик титан-платина 4; контакты под чувствительный элемент 5, 6; газочувствительный слой 7; контактные площадки 8.

Газовый датчик представляет собой кристалл кремния, покрытый слоем диоксида кремния, на котором скомпонованы элементы датчика по стандартной планарной технологии. Контактные площадки из платины с подслоем титана сгруппированы по двум длинным сторонам кристалла, с тем, чтобы облегчить выполнение заключительной технологической операции нанесения пленки оксида олова с использованием маски.

Вдоль коротких сторон кристалла размещены две идентичные структуры резисторов на основе платины с подслоем титана, один из которых является нагревателем, другой термодатчиком. Нагреватель и термодатчик имеют одинаковую топологию резистора типа "меандр". Такая конструкция нагревателя имеет стандартное напряжение питания (3, 6, 12 В) и малую потребляемую мощность (менее 1 Вт). Газочувствительный элемент представляет собой поликристаллическую пленку металлооксидного полупроводника, нанесенную на поверхность кристалла через маску. Поскольку удельное сопротивление чувствительного слоя велико, то контактная система, помещенная в центр кристалла, представляет собой встречно-штыревую конструкцию, что оптимально согласуется с зернистой структурой пленок и обеспечивает невысокое номинальное сопротивление чувствительного элемента датчика газа.

На одном кристалле расположены две группы одинаковых электродов встречно-штыревой конструкции для газочувствительного слоя, включаемые по мостовой схеме. На кристалле полупроводникового кремния расположены два термодатчика-нагревателя для нагрева кристалла и контроля температуры, а также для использования кристалла в качестве термокондуктометрического датчика газа или для измерения скорости газовых потоков. Такая конструкция повышает надежность датчика газового состава за счет дублирования элементов, а также возможности одновременного или параллельного включения наиболее энергонапряженных элементов - нагревателей.

Кристалл помещен в стандартный металлокерамический корпус, легко встраиваемый в газовые системы.

В качестве примера исполнения датчика можно предложить следующую конструкцию. На кристалле размером 2300х3300х400 мкм из кремния, покрытого слоем диоксида кремния, размещены элементы датчика, выполненные по стандартной планарной технологии. Контактные площадки размером 200х200 мкм из платины с подслоем титана сгруппированы по двум длинным сторонам кристалла. Нагреватель и термодатчик, выполненные из платины с подслоем титана, имеют одинаковую топологию резистора типа "Меандр" из пяти звеньев с сопротивлением 40-50 Ом и расположены вдоль коротких сторон кристалла. В центр кристалла помещена контактная системы для газочувствительного слоя из того же материала, представляющая собой встречно-штыревую конструкцию из 17 (8+9) контактных полосок с зазором 20 мкм. Газочувствительный элемент представляет собой поликристаллическую пленку оксида олова, нанесенную на поверхность кристалла через маску высокочастотным магнетронным распылением.

Устройство работает следующим образом. Перед началом работы чувствительный элемент датчика 7 нагревают до рабочей температуры, соответствующей максимальной адсорбции выбранного газа. Нагрев осуществляется путем подачи разности потенциала заданной величины (3- 12 В) на контакты нагревателя 3. Производится регистрация исходного сопротивления газочувствительного слоя 7 и контролируется его рабочая температура термодатчиком 4. Затем датчик помещается в анализируемую газовую смесь. Адсорбция газа приводит к изменению сопротивления пленки газочувствительного слоя. Регистрация изменения велечины сопротивления газочувствительного слоя позволяет судить о концентрации газа в анализируемой бинарной смеси.

Источники информации:
1. Патент Япония N 57-42045, G 01 N 27/12, 1982.

2. Патент ЕПВ N 0265834, G 01 N 27/12, 1988.

3. Патент Япония N 1-196556, G 01 N 27/12, Б(A1-122(1590) 1989 (прототип).

Датчик содержит электроизолирующую подложку с размещенными на ней нагревателем, термодатчиком, электродами газочувствительного слоя и газочувствительным слоем, помещенную в металлокерамический корпус. Подложка выполнена из кремния с расположенным на ней слоем диоксида кремния. Нагреватель и термодатчик выполнены из платины с подслоем титана в виде резисторов типа "Меандр". Электроды газочувствительного слоя изготовлены в виде встречно-штырьевой структуры из того же материала. Газочувствительный слой представляет собой пленку металлооксидного полупроводника. Технический результат: повышение надежности датчика, упрощение его конструкции. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Полупроводниковый датчик газов, представляющий собой электроизолирующую подложку с размещенными на ней нагревателем и термодатчиком, электродами для газочувствительного слоя и газочувствительным слоем, помещенную в металлокерамический корпус, отличающийся тем, что на подложку из кремния, покрытую слоем диоксида кремния, нанесены нагреватель и термодатчик, выполненные из платины с подслоем титана в виде резисторов типа "меандр" и электроды встречно-штыревой конструкции для газочувствительного слоя, изготовленные из того же материала, а газочувствительный слой представляет собой пленку металлооксидного полупроводника, нанесенного на встречно-штыревые электроды. 2. Полупроводниковый датчик газов по п. 1, отличающийся тем, что на одном кристалле размещены две группы одинаковых электродов встречно-штыревой конструкции для газочувствительного слоя, включенные по мостовой схеме. 3. Датчик газов по п. 1 или 2, отличающийся тем, что газочувствительный слой представляет собой пленку двуокиси олова.