Интегральный первичный преобразователь концентрации водорода

 

Изобретение относится к полупроводниковым микроэлектронным первичным преобразователям концентрации водородсодержащих 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.

C0l03 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)л G 01 N 27/12

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ .

1 (21) 4903112/25 (22) 21.01.91 (46) 23. 1 2.92. Бюл. N. 47 (71) Научно-исследовательский институт физических проблем им, Ф,В,Лукина (72) В.А.Березкин, С.М.Безручко, В.П.Грабчак, Ю.Г.Качуровский и В.И.Мишачев (56) К.Muracaml, 0ong-Bal Ye, Т, Yamamoto, Integrated hydrogen leak detector urth a

tunnel MIS Sensor and actuators, ч 13, 1988, р.315 — 321.

1;1 undstrom, С.Svensson. Gas-sensitive

metal gate semiconductor devices, ln Solid

States Chemical Sensors, Janata l„and

Huber, l;End, academic Press, Neu-York, 1985, chap 1.

S.-Y.Chal, К.Takahashl, Т,Matsuo No

blister formetion Pd/Pt double Metal gate

MISFET hydrogen sensors IEEF Electron

devise letler, VE0L-S, ¹ 1, 1984, р.14-15.

Изобретение относится к полупроводниковым микроэлектронным датчикам и может быть использовано в качестве первичного преобразователя концентрации водородсодержащих газов в технологических процессах микроэлектронной, химической промышленности и атомней энергетике. . Известен полупроводниковый интегральный первичный преобразователь концентрации водорода, содержащий

МДП-.диод с каталитическим палладиевым электродом (чувствительный элемент), резистор диффузионного типа (нагреватель) и диод (дэтчик температуры), Рабочая температура чувствительного элемента (120 С) поддерживается..с помощью датчика температуры и нагревателя. Прибор работает в циклическом режиме адсорбции водорода!

Ы 1783401 А1 (54) ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ПЕРВИЧН61Й ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ КОНЦЕНТРАЦИИ ВОДОРОДА (57) Изобретение относится к полупроводниковым микроэлектронным первичным преобразователям концентрации водородсодержащих газов, используемым в технологических процессах микроэлектронной и химической промышленности, атомной энергетике. Элементы преобразователя выполнены на тонкой консоли, являющейся частью полупроводниковой подложкй (толЩиной не менее двух ОП3), что обеспечивает стабильность результатов измерений и долговечность в работе. 3 ил. из водородсодержащего газа и десорбции в кислородсодержащем газе.

Недостатком первичного преобразова- © теля является низкая стабильность результатов измерений и малая долговечность, фь обусловленные вспучиванием и отслаиванием металлического каталитического элект- в родэ вследствие увеличения 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), двэ диффузионных резистора (нагреватели) и диод (датчик температуры). Концентрация водорода в подаваемой на первичный преобразователь газовой среде определяется

1783401 по сдвигу напряжения плоских зон МДПструктуры, приводящему к изменению вольтфарадных (или вольтамперных) характеристик чувствительного элемента.

Первичный преобразователь работает 5 при температуре 160-200 С. Десорбция водорода осуществляется в кислородной среде.

Несмотря íà ряд технологических мер, улучшающих адгозию каталитического ме- 10 талла, жесткие условия работы чувствитель- ного элемента: и механические напря>кения, обусловленные различной кОнцентрацией водорода на поверхности и в объеме каталитического металла, приводят к вспучива- 15 нию металла после определенного числа циклов абсорбции — десорбции водорода.

Целью изобретения является увеличение долговечности и стабильности работы первичного преобразователя концентрации 20 водорода.

Цель достигается тем, что в интегральном первичном преобразователе концентрации водорода, содержащем МДП-структуру с .палладиевым электродом (чувстви- 25 тельный элемент), диффузионный резистор (нагреватель) и диод (датчик температуры), указанные элементы выполнены. на части полупроводниковой (и/и) .подложки, которая образует консоль по отношению к и/и 30 подложке вне области размещения интегрального первичного преобразователя. Толщина консоли составляет не менее двух толщин ОПЗ, что обеспечивает возможность создания МДП-структуры. Размеще- 35 ние.первичного преобразователя на консоли позволяет преобразовать механические напряжения, возникающие в объеме палладиевого электрода и йа поверхности. раздела металл-диэлектрик, в изгиб консо- 40 ли при воздействии водорода. При этом не-. упругая деформация (отслаивание металла) заменяется упругой деформацией (изгиб консоли), что и обеспечивает стабильность результатов измерений и долговечность ра- 45 боты.

На фиг.1 изображена блок-схема датчика концентрации водорода; на.фиг.2— положение интегрального первичного преобразователя на кристалле, на фиг.3 — сече- 50 ние А-А на фиг.2.

Схема Датчика для измерения концент рации водорода в газе (фиг.1) состоит из двух функциональных блоков — блока первичного преобразователя 1 и блока yrtpaafie- 55 ния и.обработки результатов измерений 2.

8 состав первичного преобразователя 1 входит водородчувствительный элемент (в качестве которого может быть использован

МДП-конденсатор, МДП-транзистор, диод

Шоттки), датчик температуры на и/и диоде и нагреватель, изготовленные стандартными методами микроэлектроники на одной и/и подложке. Элементы первичного преобразователя 1 выполнены на консоли 3, которая изготовлена методом глубокого селективного травления в пlп 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 поддер>канив ее постоянной температуры по показаниям датчика температуры, При поступлении водородсодержащего газа происходит адсорбция водорода íà ïàëëàдиевом электроде, что обусловливает изменение напряжения плоских зон МДП-структуры или изменение ее вольтфарадных ха- рактеристик. 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 преоб-," разователю подается газовая смесь, состоящая из 270 кислорода в инертном газе или азоте. При этом происходит восстановление вольтфарадных характеристик до исходного состояния. Датчик. готов к работе.

Размещение первичного преобразова-. теля на консоли позволяет преобразовать: механические напряжение, возникающие в объеме 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 Йоттки, нагревателем и датчиком температуры, отличающийся тем, что, с целью увеличения долговечности и ста-. бильности 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.

1783401

l Датчик концентрации водорода !

I 2. !

Фиг. 2

Фиг. 3

Составитель Ю. Качуровский

Техред М.Моргентал Корректор Е. Папп

Редактор Г; Бельская

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 4510 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5