Интегральный первичный преобразователь концентрации водорода Советский патент 1992 года по МПК G01N27/12 

Изобретение относится к полупроводниковым микроэлектронным датчикам и может быть использовано в качестве первичного преобразователя концентрации водородсодержащих газов в технологических процессах микроэлектронной, химической промышленности и атомной энергетике.

Известен полупроводниковый интегральный первичный преобразователь концентрации водорода, содержащий МДП-диод с каталитическим палладиевым электродом (чувствительный элемент), резистор диффузионного типа (нагреватель) и диод (датчик температуры). Рабочая температура чувствительного элемента (120°С) поддерживается помощью датчика температуры и нагревателя. Прибор работает в циклическом режиме адсорбции водорода

из водородсодержащего газа и десорбции в кислородсодержащем га зе.

Недостатком первичного преобразователя является низкая стабильность результатов измерений и малая долговечность, обусловленные вспучиванием и отслаиванием металлического каталитического электрода вследствие упеличения объема каталитического электрода при десорбции водорода.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является кремниевый первичный преобразователь водорода, содержащий МДП-структуру с палладиевым электродом (чувствительный элемент), два диффузионных резистора (нагреватели) и диод (датчик температуры). Концентрация водорода в подаваемой на первичный преобразователь газовой среде определяется

СО

со

S

по сдвигу напряжения плоских зон МДП- структуры, приводящему к изменению вольтфарадных (или вольтамперных) характеристик чувствительного элемента.

Первичный преобразователь работает при температуре 160-200°С. Десорбция водорода осуществляется в кислородной среде.

Несмотря на ряд технологических мер, улучшающих адгезию каталитического ме- талла, жесткие условия работы чувствительного злемейга и механические напряжения, обусловленные различной концентрацией водорода на поверхности и в объеме каталитического металла, приводят к вспучива- нию металла после определенного числа циклов абсорбции - десорбции водорода.

Целью из обретения является увеличение долговечности и стабильности работы первичного преобразователя концентрации водорода.

Цель достигается тем, что в интегральном первичном преобразователе концентрации водорода, содержащем МДП-струк- туру с палладиевым электродом (чувства- тельный элемент), диффузионный резистор (нагреватель) и диод (датчик температуры), указанные элементы выполнены на части полупроводниковой (п/п) подложки, которая образует консоль по отношению к п/п подложке вне области размещения интегрального первичного преобразователя. Толщина консоли составляет не менее двух толщин ОПЗ, что обеспечивает возможность создания МДП-структуры. Размеще- ние первичного преобразователя на консоли позволяет преобразовать механические напряжения, возникающие в объеме палладмевого электрода и на поверхности раздела металл-диэлектрик, в изгиб консо- ли при воздействии водорода. При этом не; упругая деформация (отсяаивание металла) заменяется упругой деформацией (изгиб консоли), что и обеспечивает стабильность результатов измерений и долговечность ра- боты.

На фиг.1 изображена блок-схема датчика концентрации водорода; на фиг,2 - положение интегрального первичного преобразователя на кристалле; на фиг.З - сече- ние А-А на фиг.2.

Схема датчика для измерения концентрации водорода в газе (фиг.1) состоит и$ Двух функциональных блоков - блока первичного преобразователя 1 и блокауправле- ния и обработки результатов измерений 2. В состав первичного преобразователя 1 входит водородчувствительный элемент (в качестве которого может быть использован МДП-конденсатор, МДП-транзистор, диод

Шоттки), датчик температуры на п/п диоде и нагреватель, изготовленные стандартными методами микроэлектроники на одной п/п подложке. Элементы первичного преобразователя 1 вылолнены на консоли 3, которая изготовлена методом глубокого селективного травления в п/п подложке 4.

Для приведения датчика в рабочее состояние в блоке управления 2 задается рабочая температура первичного преобразователя (160-200°С). По этой команде включается нагреватель первичного преобразователя 1, происходит нагрев консоли и поддержание ее постоянной температуры по показаниям датчика температуры. При поступлении водородсодержащего газа происходит адсорбция водорода на палла- диевом электроде, что обусловливает изменение напряжения плоских зон МДП-структуры или изменение ее вольтфарадных характеристик. Это изменение поступает в блок обработки данных 2, обрабатывается и инициируется в виде концентрации водорода.

Затем следует цикл восстановления палладиевого электрода в кислородсодержащем газе. Для этого к первичному преобразователю подается газовая сме,сь, состоящая из 2% кислорода в инертном газе или азоте. При этом происходит восстановление вольтфарадных характеристик до исходного состояния. Датчик готов к работе.

Размещение первичного преобразователя на консоли позволяет преобразовать механические напряжение, возникающие в обьеме палладиевого электрода и на поверхности раздела металл-диэлектрик, в изгиб консоли при воздействии водорода. При этом неупругая деформация (отслаивание металла) заменяется упругой деформацией (изгиб консоли), что и обеспечивает стабильность результатов измерений и долговечность работы.

Формула изобретения Интегральный первичный преобразователь концентрации водорода, содержащий полупроводниковую подложку с выполненными на ней чувствительной к водороду МДП-структурой с каталитическим электродом из металла платиновой группы, или барьером Шоттки, нагревателем и датчиком температуры, отличающийся тем, что, С целью увеличения долговечности и стабильности работы, элементы преобразователя размещены на части подложки, которая выполнена в виде консоли к остальной части подложки и имеет толщину, равную по крайней мере двум областям пространственного заряда.

Фиг. I

Изобретение относится к полупроводниковым микроэлектронным первичным преобразователям концентрации водород- содержащих газов, используемым в технологических процессах микроэлектронной и химической промышленности, атомной энергетике. Элементы преобразователя выполнены на тонкой консоли, являющейся частью полупроводниковой подложки (толщиной не менее двух ОПЗ), что обеспечивает стабильность результатов измерений и долговечность в работе. 3 ил.

Фиг. 2

Т

А-Л