ГАЗОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ДАТЧИК НА ОСНОВЕ ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА И СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗОВ. Российский патент 2001 года по МПК G01N27/12 

Изобретение относится к области микроэлектронике и может быть использовано в первичных преобразователях концентрации газов в электрические сигналы.

Известен газочувствительный датчик на основе полевого транзистора [1]. На кремниевой подложке изготовлен полевой транзистор с затвором из каталитического металла. Затвор такого полевого транзистора выполняет одновременно, три функции: газочувствительного элемента, управление режимом полевого транзистора и нагревателя.

Недостатком данного элемента является большая потребляемая мощность, узкий спектр диагностируемых газов и низкое быстродействие, обусловленные ограничением величины максимальной рабочей температуры, определяемой свойствами кремния.

Наиболее близким техническим решением к предложенному устройству является газочувствительный датчик на основе полевого транзистора [2]. Известный датчик на основе полевого транзистора выполнен на кремниевой подложке с областями истока и стока на ней, слоя тонкого диэлектрика между ними, на котором расположен затвор из каталитического металла. На части подзатворного диэлектрика, по периметру затвора, выполнена поликремниевая рамка, выполняющая роль нагревателя.

Недостатком данного датчика является большое потребление энергии, необходимое для нагревания всей подложки и ограничение максимальной рабочей температуры, обусловленное свойствами кремния, большая тепловая инерция. Низкая температура ограничивает спектр диагностируемых газов. Практически он диагностирует лишь водород, имеющий низкую энергию диссоциации.

Технической задачей, которую решает изобретение, является конструктивное выполнение устройства и способ определения концентрации газов в окружающей среде, которые позволили бы уменьшить энергопотребление и расширить спектр диагностируемых газов.

Задача решается следующим образом. В датчике, сформированным на кремниевой подложке и состоящем из полевого транзистора, содержащего области истока и стока, слоя тонкого диэлектрика между ними, на котором расположен затвор из каталитического металла, на части подзатворного диэлектрика, по периметру затвора, выполнена поликремниевая рамка, служащая нагревателем полевого транзистора, на поверхность подложки нанесена многослойная диэлектрическая пленка, с обратной стороны подложки вокруг транзистора кремний удален до упомянутой многослойной диэлектрической пленки, а под транзистором - на величину, по крайней мере, меньшую толщины подложки на глубину истока и стока и двух областей пространственного заряда этих областей. Многослойная диэлектрическая пленка может быть выполнена из чередующихся слоев двуокиси кремния, толщиной приблизительно 0,5 мкм, и нитрида кремния, толщиной приблизительно 0,15 мкм, а общая толщина пленки при этом будет лежать в районе 2 мкм.

Таким образом, в предлагаемой конструкции полевой транзистор с нагревателем имеет малую массу, хорошую тепловую развязку с подложкой. Энергия нагревателя расходуется только на нагрев самого полевого транзистора, тепловая постоянная уменьшается на 3-4 порядка, величина ее составляет единицы миллисекунд.

В процессе преобразования концентрации газа в электрический сигнал полевой транзистор нагревается в обесточенном состоянии до 170-800^oC, выдерживается при этой температуре до термодинамически равновесного состояния, охлаждается до температуры в диапазоне 100-150^oC, при которой измеряется величина порогового напряжения.

Существенным моментом в данном способе является то, что из-за малости времени перехода датчика от высокой температуры к низкой, происходит незначительная десорбция молекул анализируемого газа.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретных, но не ограничивающих настоящее изобретение вариантов осуществления и прилагаемыми чертежами, на которых
на фиг. 1 изображено поперечное сечение газочувствительного датчика; на фиг. 2 приведены временные диаграммы, поясняющие процесс определения концентрации газов предлагаемым датчиком.

Газочувствительный датчик содержит кремниевую подложку 1 с контактными площадками 2 на ней, области истока 3 и стока 4, контакты 5 к областям 3 и 4, подзатворный диэлектрик 6, поликремниевый нагреватель 7, диоксид кремния 8, многослойную диэлектрическую пленку 9, затвор 10.

На кремниевой подложке 1 выполнены области 3 и 4 стока и истока, покрытые многослойной диэлектрической пленкой 9 с чередующимися слоями двуокиси и нитрида кремния, на которой выполнены контакты 5 к областям 3 и 4, пленка 9 удалена между областями 3 и 4, а вместо нее выполнен слой подзатворного диэлектрика 6, на котором в местах, примыкающих к областям 3 и 4, нанесена поликремниевая пленка 7, на которую нанесен слой 8 диоксида кремния. На остальную часть подзатворого диэлектрика нанесен слой 10 каталитического металла платиновой группы. Области стока, истока, затвор, нагреватель соединены металлом разводки с соответствующими контактными площадками 2. С нижней стороны подложки 1 вокруг транзистора кремний удален методом глубокого травления до пленки 9, а под транзистором кремний удален на глубину, меньшую толщины подложки на несколько 2-4 мкм.

На фиг. 2 приведена временная диаграмма рабочего цикла предлагаемого газочувствительного датчика.

Здесь, в отличие от прототипа, появляется возможность использовать динамический принцип определения концентрации газов, который заключается в том, что полевой транзистор в обесточенном состоянии нагревается до некоторой фиксированной рабочей температуры T₁, максимальное значение которой определяется теплостойкостью его элементов (экспериментально достигнуты температуры до 800^oC). При этом происходит диссоциация молекул водородосодержащего газа, адсорбция и диффузия атомов водорода к границе раздела металл затвора-диэлектрик. Транзистор при такой температуре не работоспособен. После цикла нагрева следует цикл охлаждения за счет излучения и в основном конвекционными потоками газа до рабочей температуры транзистора T₂. Цикл охлаждения длится несколько миллисекунд.

За это время восстанавливается рабочий режим полевого транзистора, и в то же время диффундировавшие молекулы не успевают десорбироваться (на это требуются минуты, или десятки секунд) и измерением порогового напряжения полевого транзистора регистрируется концентрация газа.

Соответствующей калибровкой устраняется та небольшая систематическая погрешность, возникающая за время перехода транзистора от температуры T₁ к температуре T₂, за счет сравнительно медленной десорбции некоторых молекул газа за этот промежуток времени.

Описываемый газочувствительный датчик может использоваться в качестве первичного преобразователя концентрации газов в электрический сигнал в различных, в том числе индивидуального пользования, газоанализаторах углеводородных газов.

Источники информации
1. А. В. Евдокимов. Микроэлектронные датчики химического состава газов. Зарубежная электронная техника, 1988, N 2, стр. 26-27.

2. В. А. Березкин и др. Газочувствительный датчик на основе полевого транзистора. Патент РФ N 2061233, кл. 6 G 01 N 24/12. БИ N 15, 27.05.96.

Использование: в первичных преобразователях концентрации газов в электрические сигналы. Технический результат: снижение энергопотребления и расширение спектра диагностируемых газов газочувствительного датчика на основе полевого транзистора. На поверхность подложки кремния, на котором формируется газочувствительный полевой транзистор с нагревателем из поликремния, наносится многослойная диэлектрическая пленка, имеющая окна для затвора, в областях истока и стока, контактов поликремниевого нагревателя. С обратной стороны подложка под полевым транзистором стравливается до толщины, ограниченной глубиной истока и стока и их областью пространственного заряда. Подложка вокруг транзистора травится до многослойной диэлектрической пленки. Путем нагрева активной части датчика до температуры 800°С достигается диссоциация и адсорбция широкого спектра водородсодержащих газов в каталитическом электроде затвора, быстрое охлаждение активной части за счет малой постоянной времени до низкой рабочей температуры (100-150°С) транзистора "замораживает" водород в электроде и таким образом позволяет измерить концентрацию различных газов. 2 с.п.ф-лы, 2 ил.

1. Газочувствительный датчик на основе полевого транзистора, содержащий кремниевую подложку с полевым транзистором на ней, с затвором из каталитического металла, областями истока, стока и нагревателя из поликремния в области затвора, отличающийся тем, что на поверхности подложки дополнительно выполнена многослойная диэлектрическая пленка, с обратной стороны подложки вокруг транзистора кремний удален до упомянутой многослойной диэлектрической пленки, многослойная диэлектрическая пленка удалена между областями истока и стока, а под транзистором - на величину, по крайней мере, меньшую толщины подложки на суммарную величину глубины областей истока и стока и двух областей пространственного заряда под этими областями. 2. Способ определения концентрации газов устройством по п.1, заключающийся в преобразовании концентрации газа в электрический сигнал за счет изменения порогового напряжения транзистора при стабилизированной рабочей температуре, обеспечиваемой нагревателем, отличающийся тем, что в процессе преобразования концентрации газа в электрический сигнал транзистор нагревают в обесточенном состоянии до фиксированной температуры в диапазоне 170 - 800^oC, выдерживают при этой температуре до термодинамически равновесного состояния, охлаждают до фиксированной температуры в диапазоне 100 - 150^oC, при которой измеряют величину порогового напряжения.