Чувствительный элемент для измерения парциального давления водорода Советский патент 1982 года по МПК G01N27/02 

Изобретение относится к газоаналитическому приборостроению и может быть использовано, например, при разработке газоанализаторов.

Известен чувствительный элемент для измерения парциального давления водорода, содержащий пленку окиси металла, нанесенную на диэлектрическую подложку и снабженную контактами для измерения электропроводности l.

Однако такой чувствительный эле- мент облгщает недостаточно высокой избирательностью по отношению к водородьч а технология его изготовления сложна и плохо воспроизводима.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является чувствительный элемент для измерения парциального давления водорода, выполненный в виде канальной структуры типа металл-окисел-полупроводник (МОП), содержащий базу заданного типа проводимости, расположенные в базе с зазором между ними области истока и стока противоположного базе типа проводимости, изолирующий слой CBejixy упомянутого зазора и размещенный сверху изолирующего слоя электрод-затвор, выполненный из сорбирукнцего водород материала, например палладия С2.

Недостатком известных типов чувс ствительных элементов типа МОП яв. ляется уменьшение точности измерения из-за дрейфа параметров элементов во времени, а также сравнительно небольшой срок службы. Это свяfQ зано, в основном, с плохой адгезией к слою диэлектрика палладия и других материалов, пригодных для использования в чувствительном элементе. Работа чувствительного элемента сопряжена с его прогревом до темпе 5 ратуры около и выше. Из-за различия в значениях температурных коэффициентов расширения последнее приводит к постепенному (сначала по краям) отслаиванию затвора и дрейфу основных параметров элемента.

Цель изобретения - повышение точности измерения и продление срока службы чувствительного элемента.

Цель достигается тем, что в чувствительном элементе для намерения парциального давления водорода, выполненнсял в виде канальной структуры типа металл-окисел-полупроводник, содержащем базу заданного типа проводимости, расположенные в базе, с зазором между ними области истока и стока противоположного базе типа проводимости, изолирующий слой сверху упомянутого зазора и размещенный сверху изолирующего слоя электрод-зазор, выполненный из сорбирующего водород материала, например палладия, сверку между стоком и истоком размещен встроенный канал с противоположным базе типом пр водимости, сверху по крайней мере стока выполнена дополнительная об,ласть, выходящая на поверхность базы со стороны затвора, имеющая тип проводимости, противоположный типу проводимости стока/ и перекрывающая по крайней мере сток в на правлении параллельно зазору между стоком и истоком, причем глубина до полнительной области меньше глубины стока, а края затвора выступают за края изолирующего слоя. В чувствительном элементе также .J(eждy краями затвора, выступа1ощими за края изолирующего слоя, с одной стороны, и базой и упомянутой дополнительной областью с другой, создан хемоэпитаксиальный слой силлицида палладия. Это повипает адгезию затвора к базе. По другому варианту эатвор может быть электрически соединен с истоком путем образования хемоэпитаксиального слоя силлицида палладия меж ду краем затвора, выступающим закрай изолирующего слоя, и областью истока. Это упрощает конструкцию чувствительного элемента. На фиг.1 показан чувствительный элемент, общий вид; на фиг.2 разрез А-А на фиг.1; на фиг.З,- сечение Б-Б на фиг.1; на фиг.4 - один из вариантов выполнения чувствитель ного элемента. Предлагаемый чувствительный элемент выполнен на основе монокристал ла кремния, например р-типа проводимости, с использованием стандартной технологии полупроводникового приборостроения. Он содержит базу р-типа проводимости, расположенные в базе области истока 2 и стока 3 п типа проводимости с электрическими выводами 4, зазор 5 между областями 2 и 3 с встроенным каналом п-типа проводимости между истоком и CTOKO дополнительную область 6 р-типа про водимости, изолирующий слой 7 двуокиси кремния и затвор 8ИЗ палладия сверху слоя 7. Края 9 затвора 8 выступают за края изолирукндего слоя 7 по всему периметру затвора, образуя места соединения 10 с базой 1 и областями б илч -с базой 1, областью истоком 2 (по другому варианту). Затвор 8 и база 1 могут быть снабжены электрическими выводами 11 и 12. Область б перекрывает сток 3 в направлении вдоль канала 5 -(фиг.З), т.е. размер L превышает размер f . В то же время глубина d области 6 меньше глубины D стока 3 (фиг.1). Дополнительные области б расположены как со стороны истока 2, так и со стороны стока 3, а между краями 9 затвора по всему периметру последнего с одной стороны и областями б и базой 1 с другой размещен хемоэпитаксиальный слой силлицида палладия, созданный термообработкой напыленного на кремний палладия. Хемоэпитаксиальный слой показан в виде соединения 10. По другому варианту (фиг.4) дополнительная область б выполнена только со стороны стока 3, а между краем 9 затвора 8 и истоком 2 также образован слой силлицида палладия. В этом варианте затвор 8 непосредственно (а не через р-п переход) электрически соединен с истоком 2. Чувствительный элемент работает следующим образом. Между выводс1ми 4 подают напряжение, превышающее напряжение отсечки канала 5 минусом на исток 2. При этом через чувствительный элемент протекает ток насЕлщения как в обычном полевом транзисторе с нулевым напряжением на затворе (по схеме с общим истоком). Величина этого тока определяется исходной концентрацией основных носителей заряда в канале 5, которая задается технологически. При подаче водорода последний сорбируется в палладиевом затворе 8 и изменяет контактную разность потенциалов между затвором и каналом 5 (примерно на 0,5 В при парциальном давлении, водорода 10 мм рт.ст.). Это изменение приводит к увеличению концентрации основных носителей в канале 5 и, следовательно, к росту величины тока насыщения. Таким образом, изменение величины тока насыщения характеризует количество водорода в палладии и пропорциональное ему парциальное давление водорода в анализируемом газе. Чувствительный элемент практически не реагирует на другие компоненты газовой смеси. Наличие встроенного канала 5 в предлагаемой конструкции чувствительного элемента обязательно, так как канал не может быть индуциро- ван подачей положительного напряжения на затвор 8. Подача отрицательного напряжения на затвор 8 (ло отношению к истоку 2) допустима в основном варианте, следовательно, оказывается возможным управление вольт-амперной характеристикой {.выбор начальной величины тока насыщения при отсутствии водорода). По другому варианту чувствительный элемент является электрически неуправляемым, но он более прост в конструктивном отношении. Цель изобретения достигается за счет того, что в предлагаемой конструкции чувствительного элемента края 9 затвора 8 расположены не на изолирующем слое 7 двуокиси кремния а на кремнии и скреплены с последним в местах соединения 10 слоем, силлицида палладия. Таким образом, края затвора плотно пришиты к областям 6 и базе 1 (по основному варианту) или к истоку 2, области б и базе 1 (по другому варианту). Они не могут терять адгезию и отслаиваться под воздействием внешних факторов. Одновременно затвор 8 ока зывается электрически изолированным от истока 3 запертым р-п переходом между стоком 3 и областью 6. Техническим преимуществом изобретения является повышение стабильности параметров чувствительного элемента и, следовательно, точности измерений, а также долговечность. Одновременно представляется возможным повысить рабочую температуру по сравнению с известными решениями н рискуя прй этом выходом элемента из строя, что повышает быстродействие Технология изготовления предлаг емого элемента более проста и мене критична к стабильности технологических режимов. Тем самым повышает ся выход годных элементов и снижается их стоимость. Формула изобретения Чувствительный элемент для измерения парциального давления водорода, выполненный в виде канальной структуры типа металл-окисел-полупроводник, содержащий базу заданного типа проводимости, расположенные в базе с зазором между ними области истока и стока противоположного-базе типа проводимости, изолирующий слой сверху упомянутого зазора и размещенный сверху изолирующего слоя электрод-затвор, выполненный из сорбирующего водород материала, например палладия, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, и продления срока службы чувствительного элемента ; между истоком и стоком размещен встроенный канал с противоположным .базе типом проводимости, сверху по крайней мере стока выполнена дополнительная область, выходящая на поверхность базы со стороны затвора, имеющая тип проводимости, противоположный типу проводимости стока, и перекрывающая по крайней мере сток в направлении параллельно зазору между и.стоком и стоком, причем глубина дополнительной области меньше глубины стока, а края затвора выступают за края изолирующего слоя. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Патент США W 4045173, кл. 23-254Е, опублик. 1977. 2.Патент США 4058368, кл. 23-254, опублик. 1977 (прототип),