ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ДАТЧИК ГАЗОВ Российский патент 2005 года по МПК G01N27/12 

Изобретение относится к области техники анализа примесей токсичных и взрывоопасных газов в воздушной среде, в частности с применением твердотельных полупроводниковых датчиков газов, и может быть использовано для контроля предельно-допустимых концентраций газов в горнодобывающей, химической и металлургической отраслях промышленности.

Адсорбция газов поверхностью полупроводникового газочувствительного слоя при температуре 200-500°С вызывает изменение электросопротивления слоя, пропорциональное концентрации регистрируемого газа в воздухе /1/.

Известны конструкции твердотельных датчиков газов, в которых используется изолирующая подложка с резистивным нагревателем из металла или другого материала, термодатчик для контроля температуры чувствительного элемента и газочувствительный элемент с токосъемными электродами для получения выходного сигнала датчиков в ответ на внешние газовые воздействия. Указанные выше элементы датчика могут располагаться либо на одной стороне подложки в многослойной или планарной конструкции, либо с противоположных сторон подложки /1, 2, 3/.

Однако эти датчики характеризуются сложностью конструкций и технологии их изготовления, а также высокой стоимостью за счет большого числа технологических операций. При высоких температурах работы датчика возможно ухудшение изоляционных свойств соответствующих покрытий и в результате этого возникновение электрической связи между элементами датчика, расположенными в различных слоях.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам к данному изобретению является конструкция датчика газов, содержащая тонкопленочный платиновый резистивный нагревательный элемент, совмещенный с термометром и расположенный по периметру вдоль трех сторон кристалла /4/. Контактная система для газочувствительного слоя, изготовленная из того же материала, что и нагреватель, находится в центре кристалла. Газочувствительный слой может быть изготовлен из любого полупроводникового оксида металла /1/.

Недостатком данного устройства является расположение нагревательного элемента по периметру кристалла, что приводит к дополнительным, бесполезным потерям потребляемой мощности при работе датчика. Кроме того, при эксплуатации датчика требуется использование специальной электронной схемы термокомпенсации.

Изобретение направлено на улучшение равномерности нагрева кристалла и повышение качества эксплуатационных метрологических характеристик датчика. Повышение равномерности нагрева кристалла достигается тем, что нагреватель в форме буквы Н охватывает каждый чувствительный элемент с трех сторон и располагается не только по бокам газочувствительных слоев, но и проходит через середину кристалла. При этом уменьшаются бесполезные потери тепла. Улучшение эксплуатационных и метрологических параметров датчика осуществляется с помощью симметричного размещения на одном кристалле двух газочувствительных элементов с идентичными параметрами: открытого рабочего газочувствительного слоя и закрытого от внешнего воздействия слоя сравнения, который осуществляет термокомпенсацию рабочего элемента и обеспечивает включение датчика по мостовой схеме. При этом размеры кристалла датчика не превышают размеров кристалла прототипа /4/.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен общий вид газового датчика сверху; на фиг.2 - поперечный разрез по линии А-А.

Позиции на чертежах обозначают: подложка из кремния или другого материала – 1; изолирующий слой диоксида или нитрида кремния - 2; тонкопленочный нагреватель и он же термодатчик - 3; электропроводящие контакты к чувствительному слою - 4, 5; газочувствительный слой - 6; тонкопленочные контакты - 7; газонепроницаемый слой - 8.

Датчик газов представляет собой кристалл кремния, покрытый слоем диоксида или нитрида кремния, либо любой изолирующий материал, на котором интегрированы все элементы датчика, изготовленные по стандартной планарной технологии, используемой в микроэлектронике. Например, все электропроводящие элементы конструкции могут быть изготовлены из платины по стандартной тонкопленочной технологии. Шесть контактных площадок находятся на двух противоположных сторонах кристалла датчика. Вдоль одной стороны кристалла размещены три контактные площадки для приварки проволочных выводов к двум площадкам чувствительного элемента и к одной площадке нагревателя. С другой стороны кристалла также имеются две контактные площадки чувствительного элемента и одна площадка нагревателя, который одновременно является термодатчиком. Нагреватель имеет стандартное напряжение питания (3 В, 6 В или 12 В) и в режиме работы датчика потребляет менее 300 мВт. Газочувствительный слой представляет собой поликристаллическую пленку любого металлоксидного полупроводника (например, SnO₂), нанесенную на поверхность кристалла через окна, вскрытые в фоторезисте при фотолитографии. Так как удельное сопротивление чувствительного слоя велико, то для уменьшения величины измеряемого сопротивления контактная система представляет собой встречно-гребенчатую конструкцию. Чувствительный элемент сравнения закрыт от внешнего воздействия газонепроницаемым слоем, например нитрида кремния.

Примером изготовления датчика является следующая конструкция. На полированной пластине Si, покрытой слоем SnO₂~1 мкм методом фотолитографии, изготавливаются кристаллы размером 1×1 мм², на которых размещены все элементы датчика, выполненные по стандартной планарной технологии аналогичной технологии изготовления полупроводниковых транзисторов. Шесть контактных металлизированных площадок размером 100×100 мкм² каждая размещены по три штуки с двух сторон кристалла. Нагреватель, он же термодатчик в виде буквы Н, имеет сопротивление 50 Ом и проходит по периметру и через середину кристалла. Между рядами контактных площадок размещены две встречные гребенчатые контактные системы, содержащие от 8 до 16 контактных полос с зазорами между ними от 10 до 20 мкм. Газочувствительный слой представляет собой поликристаллическую пленку, например SnO₂, нанесенную на поверхность кристалла через окна в фоторезисте методом реактивного напыления, либо каким-либо другим методом.

Устройство работает следующим образом:

Перед началом работы весь кристалл датчика нагревается до рабочей температуры, соответствующей максимальной чувствительности к измеряемому газу (200-400°С). Нагрев осуществляется путем подачи разности потенциалов (6-12 В) на контакты нагревателя 3. Величина температуры кристалла регистрируется по сопротивлению нагревателя 3. Производится калибровка с помощью регистрации сопротивления газочувствительного слоя датчика сравнения 8 на воздухе. Затем датчик помещается в анализируемую газовую смесь. Адсорбция газа приводит к изменению сопротивления пленки газочувствительного слоя. Регистрация изменения относительной величины сопротивления газочувствительного слоя позволяет судить о концентрации анализируемого газа в газовоздушной среде.

Источники информации

1. Г.Виглеб, Датчики, М., 1989. - С.200.

2. Патент Японии №1-196556, G 01 N 27/12, опубл. 1989.

3. Патент Германии №0018.96, G 01 N 27/14, опубл. 08.12.94.

4. Патент РФ №2206082, G 01 N 27/12, опубл. 2003 г.

Твердотельный интегральный датчик газов относится к области газоаналитической техники и аппаратуры и предназначен для контроля примесей токсичных и взрывоопасных газов в воздушной среде. Может быть использован для определения предельно-допустимых концентраций опасных газов в горнодобывающей, химической и металлургической отраслях промышленности. Сущность изобретения заключается в интегрировании на одной стороне кристалла нагревателя особой формы, одновременно используемого как термосопротивление и двух газочувствительных элементов, один из которых закрыт газонепроницаемым слоем и служит при измерениях элементом сравнения. Для обеспечения более равномерного распределения температуры по кристаллу нагреватель в форме буквы Н расположен не только по периметру, но и в центре кристалла. Технический результат изобретения заключается в улучшении равномерности нагрева при одновременном улучшении качества эксплуатационных метрологических характеристик датчика. 2 ил.

Твердотельный интегральный датчик газов на основе оксидных полупроводников, содержащий изолирующую подложку с интегрированными на ней нагревателем, электродами и двумя газочувствительными элементами, отличающийся тем, что нагреватель выполнен в виде буквы Н и расположен как по периметру, так и в центре кристалла, а один из газочувствительных элементов закрыт газонепроницаемым слоем.