ГИБРИДНАЯ ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА ГАЗОВОГО СЕНСОРА Российский патент 1999 года по МПК G01N27/16 H01L27/02 

Изобретение относится к области электронной техники, а более точно касается гибридной интегральной схемы газового сенсора, и может быть использовано в миниатюрных измерительных преобразователях концентрации газа.

Известен термохимический преобразователь наличия и концентрации газов в воздухе, обеспечивающий повышение точности измерения благодаря нанесенному на наружную поверхность чувствительного элемента слоя катализатора (платина, палладий, оксиды), расширение номенклатуры контролируемых газов за счет выполнения двух чувствительных элементов из различных материалов, неодинаковых размеров и с различными катализаторами. На одной подложке установлены независимо два кремниевых "стола" для двух конструктивно подобных чувствительных элементов (за исключением вышеуказанных принципиальных различий). На кремниевую мембрану "стола" наносят изолирующий нитридный слой толщиной 400 мм. В центре чувствительного элемента образуется "двухмеандровый" нагреватель из кремния или никеля с алюминиевыми электрическими выводами на периферию чувствительного элемента. Перпендикулярно оси нагревателя наносят термоэлемент, состоящий из двух встречно включенных меандров, выполненных из разных материалов. Сверху наносят слой катализатора, который может быть закрыт защитным газонепроницаемым слоем. Измерительный преобразователь может измерять изменение концентрации в функции температуры (DE, A, 4008150).

Однако конструкция сложна и недостаточно технологична.

Известна структура носителя для анализатора, позволяющая получить механически прочную конструкцию анализаторов SO₂, H₂S и бензола, пригодную для крупносерийного производства. Конструкция структуры имеет вид квадрата 6х6 мм, внутри которого размещен квадрат 2х2 мм, причем оба квадрата вдоль четырех общих диагоналей соединены перемычками. Центральный квадрат и частично две противоположные перемычки покрыты слоем платины, выполняющим функции нагревателя. Центральному платиновому квадратному покрытию придана форма спирали. Полученное сопротивление покрыто изоляционным слоем. На противоположные стороны центрального квадрата нанесены два электрода из платины или золота, к которым подходят две металлические полоски-электрода, направленные вдоль свободных перемычек подложки. Между электродами на центральном квадрате нанесена газочувствительная пленка (FR, A, 2625561).

Однако вышеописанная конструкция сложна, не имеет достаточной селективности из-за недостаточной тепловой изолированности центральной части подложки и недостаточно технологична.

В основу настоящего изобретения была положена задача создания гибридной интегральной схемы газового сенсора, конструктивное выполнение которой позволило бы повысить селективность и технологичность газового сенсора.

Это достигается тем, что в гибридной интегральной схеме газового сенсора, содержащей подложку в виде механически прочной периферийной части и термически изолированной от нее центральной части, соединенных перемычками, на периферийной части подложки расположены пленочные контактные площадки, на центральной части размещены пленочный нагреватель, газочувствительная пленка и пленочный электрод цепи измерения сопротивления газочувствительной пленки, электрически соединенные с контактными площадками пленочными проводниками, расположенными на перемычках, согласно настоящему изобретению, периферийная часть подложки имеет форму кольца, а центральная часть - форму диска, соединенного с периферийной частью тремя перемычками, расположенными под углом 120^o, перемычки в области соединения с периферийной частью имеют разветвления под углом 120^o, причем отношения диаметра центральной части и длины перемычки от центра схемы до разветвления к внутреннему диаметру периферийной части равны 0,2-0,4 и 0,6-0,8 соответственно, ширина перемычек выбрана равной 0,05-0,15 мм, а толщина перемычек и центральной части подложки - 0,15-0,25 мм.

Пленочный нагреватель может быть расположен в углублении, выполненном на лицевой поверхности центральной части подложки.

Желательно, чтобы периферийная часть подложки имела сквозные отверстия и была закреплена на металлическом основании корпуса таким образом, чтобы внутренние выводы корпуса были расположены в отверстиях периферийной части подложки и электрически соединены с контактными площадками, а крышка корпуса имела отверстие для доступа анализируемой среды.

Изготовление периферийной части в форме кольца, а центральной в форме диска, придает патентуемой схеме дополнительную жесткость и снижает ее напряженность.

Соединение периферийной части с центральной частью тремя перемычками, расположенными под углом 120^o, выбрано из соображений тепловой изоляции центральной части подложки и оптимальной компенсации механических напряжений, возникающих при нагреве центральной части подложки.

Выбор отношения диаметра центральной части и длины перемычки от центра схемы до разветвления к внутреннему диаметру периферийной части равными 0,2-0,4 и 0,6-0,8 и ширины перемычек 0,05-0,15 мм, а толщины перемычек к центральной части подложки 0,15-0,25 мм объясняется оптимальной геометрией схемы, согласно изобретению, с точки зрения теплоизоляции центральной части и прочности конструкции.

Ограничения величины соотношений сверху (0,4 и 0,8 соответственно) определяются допустимым значением теплового сопротивления перемычек, при котором температура центральной части находится в требуемых пределах (обеспечивается необходимый уровень теплоизоляции).

Ограничения величины соотношений снизу (0,2 и 0,6 соответственно) определяются допустимой длиной перемычек, при которой не происходит ухудшение прочности конструкции.

Далее изобретение поясняется описанием конкретных примеров его выполнения и прилагаемыми чертежами, на которых:
фиг. 1 изображает патентуемую гибридную интегральную схему газового сенсора (вид сверху);
фиг. 2 - разрез по линии II-II на фиг. 1;
фиг. 3 - то же, что на фиг. 1, но с соответствующими размерами элементов схемы;
фиг. 4 - разрез по линии V-V на фиг. 3;
фиг. 5 - другой вариант выполнения патентуемой гибридной интегральной схемы газового сенсора (разрез).

Гибридная интегральная схема газового сенсора CH₄, CO и других, согласно изобретению, содержит подложку 1 (фиг. 1), например, поликоровую толщиной 0,5 мм, в виде механически прочной периферийной части 2 (фиг. 1 и 2) в форме кольца шириной, например 1,3 мм, и термически изолированной от нее центральной части 3, выполненной в форме диска диаметром 1,2 мм. Периферийная 2 и центральная 3 части соединены перемычками 4 (фиг. 1) из поликора.

На периферийной части 2 подложки 1 расположены пленочные контактные площадки 5 со структурой Ti (100 Ом/мм²) - Au (5 мкм). На центральной части 3 подложки 1 размещены пленочный нагреватель 6 с сопротивлением 200 Ом, мощностью 400 мВт, например, из танталовой пленки, газочувствительная пленка 7, например, из SnO₂ с каталитическими добавками MgO или CaO, Pd, Au в зависимости от состава измеряемой среды и пленочный электрод 8 со структурой, аналогичной структуре контактной площадки 5, цепи измерения сопротивления газочувствительного слоя пленки 7, электрически соединенные с контактными площадками 5 пленочными проводниками 9, расположенными на перемычках 4. Перемычки 4 расположены под углом 120^o и в области соединения с периферийной частью 2 имеет разветвления 10 под углом 120^o. Отношения диаметра центральной части 3 и длины перемычки 4 от центра схемы до разветвления 10 к внутреннему диаметру периферийной части 2 равны 0,2-0,4 и 0,6-0,8 соответственно, что наглядно видно на фиг. 3 и 4. Ширина перемычек 4 выбрана равной 0,1 мм, толщина перемычек 4 и центральной части 3 подложки 1 выбрана равной 0,2 мм, исходя из соображений термической изолированности центральной части 3 при сохранении прочности.

Нагреватель 6 (фиг. 2) выполнен в углублении 11 глубиной 10 мкм, путем заполнения углубления 11 резистивной пастой с последующим отжигом (800^oC).

В периферийной части 2 (фиг. 5) подложки 1 выполнены отверстия 12 диаметром, например 0,7 мм, совпадающие по расположению с внутренними выводами 13 корпуса 14. Подложка 1 гибридной интегральной схемы, согласно изобретению, закреплена на металлическом основании 15 корпуса 14. Внутренние выводы 13 корпуса 14 пропущены через отверстия 12 периферийной части 2 и соединены золотой проволокой 16 с контактными площадками 17 гибридной интегральной схемы, согласно изобретению. Крышка 18 корпуса 14 имеет отверстия 19 диаметром 2 мм для доступа анализируемой среды, например, наличия CH₄ в воздухе, закрытые мягкой сеткой.

Схема, согласно изобретению, работает следующим образом.

Пленочный нагреватель 6 (фиг.1) подает питающее напряжение, например 9 В, что позволяет разогревать центральную часть 3 подложки 1 до температуры 300-500^oC и поддерживать заданную температуру с точностью до ±5^oC. В зависимости от определяемой примеси в воздухе температура может поддерживаться на заданном уровне с указанной выше точностью. Например, при 350^oC датчик будет обладать достаточной селективностью и чувствительностью к водороду и так далее. При этом измеряется сопротивление газочувствительной пленки 7 в присутствии примеси в воздухе и сопротивление той же пленки 7 в отсутствии примеси, что позволяет судить о селективности (или избирательности) датчика (сенсора).

Таким образом, патентуемая схема позволяет повысить селективность за счет более точного поддержания заданной температуры за счет лучшей теплоизоляции центральной части 3 подложки 1. Достигается это за счет оптимизации конструкции в части теплоизоляционных и прочностных параметров.

Кроме того, патентуемая схема проста, что позволяет снизить трудоемкость ее изготовления.

При описании рассматриваемых вариантов осуществления изобретения для ясности используется конкретная узкая терминология. Однако изобретение не ограничивается принятыми терминами и необходимо иметь в виду, что каждый такой термин охватывает все эквивалентные термины, работающие аналогично и используемые для решения тех же задач.

Хотя настоящее изобретение описано в связи с предпочтительным видом реализации, понятно, что могут иметь место изменения и варианты без отклонения от идеи и объема изобретения, что компетентные в данной области лица легко поймут.

Эти изменения и варианты считаются не выходящими за рамки сущности и объема изобретения и прилагаемых пунктов формулы изобретения.

Использование: электронная техника, в миниатюрных измерительных преобразователях концентрации газа. Сущность изобретения: гибридная интегральная схема газового сенсора содержит подложку в виде периферийной части в форме кольца и центральной части в форме диска, соединенных тремя перемычками, расположенными под углом 120^o и имеющими разветвления у периферийной части под углом 120^o. На центральной части размещены газочувствительная пленка, пленочный нагреватель и пленочный электрод для измерения сопротивления газочувствительной пленки. Нагреватель и электрод электрически соединены вдоль перемычек с контактными площадками, расположенными на периферийной части. Толщина перемычек и центральной части имеет толщину 0,15 - 0,25 мм, а ширина перемычек - 0,05 - 0,15 мм. Техническим результатом изобретения является повышение селективности и технологичности газового сенсора. 2 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Гибридная интегральная схема газового сенсора, содержащая подложку в виде механически прочной периферийной части и термически изолированной от нее центральной части, соединенных перемычками, на периферийной части подложки расположены пленочные контактные площадки, на центральной части размещены пленочный нагреватель, газочувствительная пленка и пленочный электрод цепи измерения сопротивления газочувствительной пленки, электрически соединенные с контактными площадками пленочными проводниками, расположенными на перемычках, отличающаяся тем, что периферийная часть подложки имеет форму кольца, а центральная часть - форму диска, соединенного с периферийной частью тремя перемычками, расположенными под углом 120°, перемычки в области соединения с периферийной частью имеют разветвления под углом 120^o, причем отношения диаметра центральной части и длины перемычки от центра схемы до разветвления к внутреннему диаметру периферийной части равны 0,2-0,4 и 0,6-0,8 соответственно, ширина перемычек выбрана равной 0,05-0,15 мм, а толщина перемычек и центральной части подложки - 0,15-0,25 мм. 2. Гибридная интегральная схема газового сенсора по п.1, отличающаяся тем, что пленочный нагреватель расположен в углублении, выполненном на лицевой поверхности центральной части подложки. 3. Гибридная интегральная схема газового сенсора по п.1 или п. 2, отличающаяся тем, что периферийная часть подложки имеет сквозные отверстия и закреплена на металлическом основании корпуса таким образом, что внутренние выводы корпуса расположены в отверстиях периферийной части подложки и электрически соединены с контактными площадками, а крышка корпуса имеет отверстия для доступа анализируемой среды.