Полупроводниковый датчик состава газов и способ его изготовления

 

Использование: в устройствах для контроля параметров окружающей среды, в частности для контроля паров спирта, ацетона. метана и др. Сущность изобретения: полупроводниковый датчик состава газов содержит диэлектрическую подложку, сформированный на ней нагреватель, газочувствительный слой и систему электродов. Нагревательный элемент выполнен из никеля , его сплавов или из тугоплавких металлов с защитным покрытием, которое состоит по крайней мере из двух слоев. Первый слой, выполнен из окиси вентильного металла, дающего плотный окисел при анодировании, например Та, Tl, Nb, а второй - из пористой окиси алюминия. При этом электроды расположены на газочувствительном слое датчика . 2 с. п. ф-лы, 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (s>)5 G 01 N 27/12

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (2 1) 4877609/25 (22) 27.07,90 (46) 23.02.93. Бюл, N. 7 (71) Научно-исследовательский электротехнический институт (72) И,В.Паршиков, Л,Т,Рамус и А.П.Бутырский (56) Авторское свидетельство СССР

N. 1245082, кл. 6 01 N 27/02, 1985.

Заявка Японии М 63-75548, кл.6 01 N 27/12. (54) ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДАТЧИК СОСТАВА ГАЗОВ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВ.ЛЕНИЯ (57) Использование: в устройствах для контроля параметров окружающей среды, в часИзобретение относится к.устройствам для контроля параметров окружающей среды и, в частности, может быть использовано для обнаружения паров спирта, ацетона, метана и др.

Известен датчик газа, содержащий ке/ рамическую подложку, на поверхности которой расположены нагревательные элементы, закрытые изоляционным слоем.

Поверх этого слоя размещены электроды, контактирующие с чувствительным к газу каталитическим слоем. Датчик выполнен по толстопленочной технологии. Для его изготовления на поверхности изолирующей подложки, например, из А(20з формируют нагреватели из материала с высокой температурой плавления, на которые нанесен изолирующий слой, например, из А120з. На изолирующем слое формируют электроды, например, из платины, на которые наносят газочувствител ьны и слой (ГЧ С).

„„ Ы„„1797О27 А1 тности для контроля паров спирта, ацетона, метана и др. Сущность изобретения: полупроводниковый датчик состава газов содержит диэлектрическую подложку, сформированный нэ ней нагреватель, газочувствительный слой и систему электродов.

Нагревательный элемент выполнен из никеля, его сплавов или из тугоплавких металлов с защитным покрытием, которое состоит по крайней мере из двух слоев. Первый слой выполнен из окиси вентильного металла, дающего плотный окисел при анодировании, например Ta, TI, Nb, а второй — из пористой окиси алюминия. При этом электроды расположены на газочувствительном слое датчика. 2 с. и. ф-лы, 2 ил.

Полученные таким образом структуры из-за достаточно большой толщины и низкой теплопроводности не обеспечивают эффективной передачи тепла от нагревателя к

ГЧС в процессе эксплуатации датчика.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является газоанализатор, в котором на тонкой диэлектрической пластине расположены платиновые нагреватели. Поверхность нагревателей защищена электроизоляционным слоем. поверх которого расположены золотые электроды и ГЧС из

Яп02, ЧЧОз.

Способ изготовления указанного газоанализаторэ заключается в том, что на подложку из А!20з наносят слой платины и формируют известным способом нагреватель, затем наносят электроизоляционный слой и открывают в нем окна для контактов с нагревателем. После этого наносят слой золота и формируют электроды и контакт1797027 ные площадки нагревателя, а сверху наносят ГЧС из.Яп02.

Недостатком такого газоанализатора и способа его изготовления является невысокая чувствительность ГЧС из-за того, что 5 поверхность ГЧС недостаточно развита. Хотя расположение нагревателя и ГЧС на одной стороне подложки уменьшает потребление мощности, однако наличие электроизоляционного слоя между нагревателем и ГЧС препятствует эффективной передаче тепла в рабочую зону датчика.

Цель изобретения — повышение чувствительности и уменьшение потребляемой мощности датчика, 15

Указанная цель достигается тем, что в предлагаемом полупроводниковом датчике состава газов, содержащем диэлектрическую подложку, расположенный на ней нагреватель, ГЧС и электроды, нагреватель 20 выполнен с защитным покрытием, состоящим по крайней мере из двух слоев, один из которых выполнен из оксида вЕнтильного металла, дающего плотный оксид при анодировании, например, из Та, а второй — из пористого оксида алюминия.

Предложенный способ изготовления полупроводникового датчика состава газов заключается в том, что на диэлектрическую подложку по тенкопленочной технологии 30 наносят слой металла, маскирующим травлением формируют рисунок нагревателя, наносят на него защитный слой, напыляя слой алюминия с подслоем вентильного металла, например Та, после чего структуру алюминий/вентильный металл подвергают анодирования в электролите для пористого анодирования алюминия. Затем наносят

ГЧС и формируют электроды, например, из алюминия. 40

Существенным отличием способа является, то, что покрытие на нагревателе выполняют напылением алюминия по подслою вентильного металла с последующим его пористым анодированием. 45

Полученное таким образом покрытием за счет высокой теплопроводности позволяет увеличить теплопередачу от нагревателя к ГЧС, а за счет пористого анодирования— увеличить удельную поверхность ГЧС.

На фиг. 1 изображен пример конструкции датчика; на фиг. 2 — разрез А-А на фиг.

1.

Полупроводниковый датчик состава газов содержит диэлектрическую подложку 1, например, из ситалла, стекла, поликора, на поверхности которой расположен пленочный нагреватель 2, например из никеля, его сплавов с защитным покрытием из слоя плотного оксида вентильного металла 3, например из Та. и слоя пористого оксида алюминия 4, расположенного только в рабочей зоне датчика. Поверх защитного покрытия расположен ГЧС 5, например из SnOz, ZnO, на котором размещены электроды 6.

При подаче электрической мощности с аккумуляторного источника питания (на чертеже HG l1OK333H) H Ha peB Tertb 2 OH разогревается до рабочей температуры

350-550 С, в зависимости от регистрируемого газа (СО, СгН50Н, СН4 и др,), и передает тепловую энергию на ГЧС 5, В связи с тем, что предлагаемый датчик выполнен на диэлектрической подложке а нагреватель закрыт защитным слоем пористой окиси алюминия 4 по подслою плотного оксида вентильного металла 3, обладающих высокой теплопроводностью, то тепловая энергия от нагревателя в первую очередь будет передаваться в сторону ГЧС 5, обеспечивая тем самым локальный нагрев ГЧС.

Хотя предложенный датчик может быть выполнен практически на любой диэлектрической подложке, особенно эффективен он на низкотеплопроводных подложках, например ситалле, стекле. ГЧС при рабочей температуре приходит в активное состояние и хемосорбирует кислород из воздуха в виде О и, обедняя электронами зону прогводимости, уменьшает свою электропроводность отрицательным потенциалом и находится в состоянии электрического рав-. новесия. Причем высокая удельная поверхность пленки пористого оксида алюминия 4 позволяет увеличить удельную поверхность

ГЧ С 5 до 50 — 300 м /г, что дает возможность г хемосорбировать на ГЧС большее количество атомов кислорода, а это в свою очередь, значительно повышает чувствительность датчика в сравнении с гладкой поверхностью. При наличии в регистрируемой атмосфере . восстановительных газов хемосорбированный на ГЧС 5 кислород активно окисляет их, отдавая электроны в зону проводимости ГЧ С, что регис ри руется прибором, подключенным к электродам 6 (на чертеже не показан).

Пример, На диэлектрическую подложку из ситалла размером 60 х 40 х 0,5 мм наносят методом вакуумного магнетотронного распыления на постоянном токе никель из мишени Ni — 99.999 в среде аргона при P = 5 х 10 мм рт. ст„температуре

-з подложки 250 С и мощности газового разряда 0,5 — 0,6 кВт на установке УВН-71П-3.

Затем распыляют мишень Та марки ТВЧ при температуре подложки 200 С до получения пленок толщиной 3000 А. Вслед за этим сни жают температуру подложки до 120ОС, вь водят на режим третий плоский магнетрон

1797027 установленной на нем мишенью из алюминия марки Ai 999 и при мощности газового разряда 0,2 кВт распыляют алюминий до . получения пленки толщиной 0,2 мкм. Затем осуществляют анодное прокисление слоев 5 алюминия и тантала, предварительно сфор- . мировав защитную маску из позитивного фоторезиста на контактные площадки нагревателя традиционным способом, применяемым в фотолитографии. 10

После операции анодирования на поверхность пленки оксида алюминия наносят

ГЧС, например $пОг, методом реактивного магнетронного распыления на постоянном токе оловянной мишени из олова чистоты 15

99,999 в аргоно-кислооодной среде при рабочем давлении 5 х 10 мм рт, ст., мощности газового разряда 0,5 кВт и температуре подложки 360 С до получения пленки ЯпО толщиной 0,15-0,2 мкм на установке 20

УВН-75P-З, Затем вышеописанным методом на тех же режимах наносят слой алюминия толщиной 0,6-0,8 мкм и после нанесения фоторезистивной маски формируют электроды методами традиционной 25 жидкостной фотолитографии..

2. Способ изготовления полупроводникового датчика состава газов, включающий нанесение на диэлектрическую подложку слоев металла и формирование рисунка на35 гревателя, нанесение защитного слоя и газочувствительного слоя, формирование электродов, о тл и ч а ю щи и с я тем, что, с целью повышения чувствительности и снижения потребляемой мощности датчика, за40 щитное покрытие выполняют напылением алюминия с подслоем вентильного металла, а затем структуру алюминий/вентильный металл подвергают анодированию в электролите для пористого анодирования алюми45 ния.

Формула изобретения 1. Полупроводниковый датчик состава газов, содержащий диэлектрическую подложку, на которой расположен пленочный нагреватель, газочувствительный слой, электроды. отл ича ющий с я тем,что,с целью повышения чувствительности и снижения потребляемой мощности, нагреватель выполнен из никеля, его сплавов или из тугоплавких металлов с защитным покрытием, состоящим по крайней мере из двух слоев, один из которых выполнен из плотной окиси вентильного металла, а другой — из пористой окиси алюминия, причем электроды расположены на газочувствител ьном слое.

Чувствительность датчика к парам этилового спирта с концентрацией в воздухе

100 ppt составляет 0,92-0,95 при температуре 370-390 С; чувствительность к СО в воздухе (с концентрацией 0,1 } 0,87 — 0,9 при температуре 500 С; чувствительность к метану в воздухе (с концентрацией 0,1 ) 0,80,85 при температуре 550 С. Мощность. потребляемая нагревателем для достижения температуры 600-650,- не превышает

0,3 — 0,35 Вт.

Таким образом, предложенный полупроводниковый датчик состава газов выгодно отличается от существующих не только высокой чувствительностью и низкой потребляемой энергией, но и универсальностью — за счет возможности использования в предложенной конструкции различных диэлектрических подложек. замены дорогостоящих материалов. обычно используемых для нагревателей, на более дешевые. Указанные преимущества и достаточно простая конструкция позволяют использовать датчик в массовом производстве.

1797027

Составитель Л.Зернова

Техред M.Moðãeíòàë Корректор М.Максимишинец

Редактор Г.Бельская

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

Заказ 649 Тираж Подписное

8НИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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