СПОСОБ УЛУЧШЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДАТЧИКОВ ГАЗА Российский патент 2009 года по МПК G01N27/12 

Изобретение относится к области аналитического приборостроения и газовой сенсорики и может быть использовано для улучшения важнейших метрологических характеристик - снижения температуры максимальной газовой чувствительности и потребляемой мощности полупроводниковых датчиков газов на основе оксидов металлов, таких как SnO₂, ZnO, In₂O₃, TiO₂, Ga₂О₃ и т.п.

В настоящее время известны способы снижения температуры максимальной газовой чувствительности лишь за счет модификации конструкций сенсоров, в частности за счет легирования чувствительного слоя различными металлами.

Известен способ изготовления полупроводникового чувствительного элемента [1], заключающийся в последовательном нанесении на диэлектрическую термостойкую подложку тонкого полупроводникового слоя и слоя металла-катализатора, на поверхность слоя металла-катализатора наносят диэлектрический слой, выполненный из материала, проницаемого только для измеряемой компоненты. Такое техническое решение обеспечивает повышение надежности путем повышения стабильности и селективности полупроводникового чувствительного элемента. Недостатками этого способа являются сложность технического решения и его дороговизна, а главное, чувствительность только к одному конкретному газу.

Наиболее близким к заявленному является способ [2], который предполагает формирование чувствительного слоя путем чередующегося вакуумного напыления из двух испарителей, в первом из которых содержится навеска SnO₂+(25±0,1) % Sb, а во втором - SnO₂+(1,5±0,1) % In, при отношении длительности общего периода напыления из первого испарителя к длительности всего периода напыления, равном (0,7±0,05). Полученную таким образом пленку отжигают сначала в течение 4-х часов при 450-500°С в токе увлажненного воздуха, а затем в течение 0,5 ч при 150-200°С в токе осушенного воздуха с добавлением 0,5-1% по объему паров фтористого водорода. Этот способ при всей своей сложности и затратности позволяет снизить температуру максимальной газовой чувствительности сенсора всего на 50-100°С.

Изобретение направлено на снижение рабочей температуры и потребляемой мощности твердотельных датчиков газов. Это достигается за счет облучения чувствительного элемента фиолетовым светодиодом с длиной волны около 400 нм и мощностью 76 мВт.

На фиг.1 представлена топология кристалла 1×1 мм² тестовой структуры датчика газов, изготовленных по микроэлектронной технологии [3], содержащих платиновый нагреватель 1 и два газочувствительных элемента 3 на основе SnO₂, нанесенных на платиновые контакты встречно-штыревого типа 2, расстояние между которыми составляет 10 мкм. Кристаллы были вмонтированы в восьмивыводные металлокерамические корпуса микросхем, выводы микросхем соединялись с контактными площадками 4 алюминиевой проволокой диаметром 30 мкм.

На фиг.2 представлен график зависимости максимальной газовой чувствительности к парам этилового спирта от температуры при воздействии облучением фиолетового светодиода на тестовую структуру газового датчика, S_ч1 - для первого чувствительного элемента, S_ч2 - для второго чувствительного элемента.

На фиг.3 представлен график зависимости максимальной газовой чувствительности к парам этилового спирта от температуры без облучения светодиодом.

Тестовые структуры (фиг.1) отжигались до полной стабилизации сопротивления чувствительного слоя, а затем подвергались воздействию облучения фиолетовым светодиодом при комнатной температуре, при 50°С, 100°С, 150°С и 200°С на воздухе, а потом при тех же температурах в атмосфере 2000 ppm этилового спирта (C₂H₅OH). Расстояние от светодиода до кристалла составляло 2 мм. Энергия излучаемого света превышает ширину запрещенной зоны металлооксидного полупроводника и снижает энергетический порог реакции взаимодействия ионов газов с поверхностными состояниями чувствительного элемента за счет активации поверхностных состояний полупроводника световыми квантами. После этого для сравнения результатов, полученных на воздухе и в атмосфере спирта, были построены графики зависимости минимальных значений сопротивления чувствительных элементов при воздействии облучения светодиодом от температуры. Затем определялась газовая чувствительность при различных температурах (при комнатной температуре, при 50°С, 100°С, 150°С и 200°С) как отношение сопротивления газочувствительного слоя на воздухе и в газе. Из полученного графика четко видно, что температура максимальной газовой чувствительности к спирту при воздействии облучением фиолетового светодиода составляет 100°С вместо 400°С без облучения (фиг.3).

Источники информации

1. Пат. 2096775, Российская Федерация, 1997, МКИ 6 G01N 27/12. Способ изготовления полупроводникового чувствительного элемента / С.В.Рябцев, А.В.Шапошник - №95107172/25; Бюл. №32. - 4 с.: ил.

2. А.с. 1797028, СССР, МКИ 5 G01N 27/12. Способ изготовления газового датчика / Е.М.Медведев, В.Е.Старков, В.В.Старусев и В.Г.Удовицкий (СССР). - №906207/25; заявл. 30.01.91; опубл. 23.02.93, Бюл. №7. - 5 с.: ил.

3. Пат. 2257567, Российская Федерация, 2004, МКИ 6 G01N 27/12. Твердотельный интегральный датчик газов / С.И.Рембеза, В.А.Буслов, Е.С.Рембеза, О.Г.Викин, Г.А.Викин - №2004115170/28; Бюл. №21. - 3 с.: ил.

Способ улучшения параметров датчика газов заключается в последовательном формировании на диэлектрической подложке чувствительного слоя на основе диоксида олова, встречно-штыревых контактов к пленке, нагревателя, контактных площадок к чувствительному слою и нагревателю. После того как сформирован чувствительный элемент датчика, его поверхность облучают фиолетовым светодиодом с длиной волны около 400 нм и мощностью не менее 76 мВт с целью снижения рабочей температуры и потребляемой мощности датчика. 3 ил.

Способ улучшения параметров датчиков газа, заключающийся в последовательном формировании на диэлектрической подложке чувствительного слоя на основе диоксида олова, встречно-штыревых контактов к пленке, нагревателя, контактных площадок к чувствительному слою и нагревателю, отличающийся тем, что поверхность чувствительного элемента датчика облучают фиолетовым светодиодом с длиной волны около 400 нм и мощностью не менее 76 мВт с целью снижения рабочей температуры и потребляемой мощности датчика.