Способ изготовления газового датчика

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 Й 27/12

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4906207/25 (22) 30.01.91 (46) 23.02,93. Бюл. № 7 (71) Харьковский филиал Всесоюзного научно-исследовательского и проектно-конструкторского института по проблемам освоения нефтяных и газовых ресурсов континентального шельфа (72) Е.M.Ìåäâåäåâ, В,Е.Старков, В.В.Старусев и В.Г.Удовицкий (56) Патент Японии N 56-13901, кл, G 01 N27/12,,1984.

Заявка Великобритании ¹ 2142147, кл.

G 01 N 27/12, 1988. (54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГАЗОВОГО

ДАТЧИКА (57) Изобретение относится к области газового анализа, в частности к полупроводниковым газовым датчикам для контроля

Изобретение относится к газовому анализу, в частности к полупроводниковым газовым датчикам для контроля токсичных газов, и может быть использовано на предприятиях нефтегазовой, химической промышленности и других для контроля сероводорода в воздухе рабочих зон.

Известен способ изготовления датчика газа-восстановителя. По этому способу датчик газа изготавливают на основе Sn02, легированной Ru02 в количестве 0,5-5 %. В смесь может также входить SnC(z, Из укаэанных соединений готовится паста, которую наносят на подложку тонким слоем, а затем отжигают его при 650 С. После отжига на чувствительный слой наносят контакты. с помощью которых датчик включается s измерительную цепь. Рабочая температура

»5U 1797028 А1 токсичных газов, и может быть использовано на предприятиях нефтегазовой, химической промышленности для контрол я сероводорода в воздухе рабочих зон. Чувствительный слой формируют путем чередующегося вакуумного напыления из двух испарителей, в первом из которых содержится навеска Яп02 + (25 0,1) % -Sb, а во втором — 5п02+ (1,5ч-0,1) % J ï, 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 ч 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. 3 ил. датчика 350-400 С, и при этой температуре его сопротивление в чистом воздухе составляет около 900 кОм. При воздействии газа с концентрацией 0,1 об.;4 (100 ррах) сопротивление датчика уменьшается до 75 кОм.

Преимуществом этого способа изготовления газового датчика является его относительная простота. К существенным недостаткам данного способа относятся низкая чувствительность, высокая рабочая температура и низкий уровень технологичности, что не позволяет при реализации данного способа использовать современную высокопроизводительную групповую технологию микроэлектроники.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ изготовления газового датчика путем нанесе1797028

30 о.

RHz s

55 ния пленки SnOz, легированной 0,1 Al, на диэлектрическую подложку с нагревателем и электродами. Пленку чувствительного слоя наносят распылением специально приготовленной мишени высокочастотным разрядом в кислородсодержащей среде. Для повышения чувствительности к анализируемому газу легированная пленка SnOz покрывается сверху тонкой пленкой (10-100 А) каталитически активного металла Pt. Рабочая температура датчика при индикации сероводорода в воздухе 280 С. К преимуществам данного способа изготовления газового датчика относится высокий уровень технологичности, Ему. однако, присущ и ряд существенных недостатков: низкая чувствительностьь к сероводороду в области его микроконцентраций (ПДК рабочей зоны и ниже); относительно высокая рабочая температура (280 С), что повышает потребляемую датчиком мощность: существенное влияние на показания датчика влажности анализируемой газовой смеси, а также необходимость применения драгоценного металла — P t.

Целью изобретения является повышение чувствительности датчика к сероводороду в области его микроконцентраций, равных ПДК рабочей зоны.

Указанная цель достигается тем, что в способе изготовления газового датчика, заключающемся в последовательном формировании на диэлектрической подложке чувствительного слоя на основе легированной двуокиси олова, нагревателя, контактов к чувствительному слою и нагревателю, измерителя температуры, чувствительный слой формируют путем чередующегося вакуумного напыления из двух испарителей, в первом из которых содержится навеска SnOz + (2,5+0,1) Sb, à во втором—

SnOz+ (1,5+0,1 ) Jn, 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 ч 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, Пример, Датчик по данному способу изготавливают на подложке из ситалла марки СТ-50 размером 8 х 3 х0,,4 мм. Нагреватель наносят напылением пленки из нихрома толщиной 0,5 мкм, контакты— напылением пленочной композиции типа

Сг-Cu — Nl. В качестве измерителя температуры используют терморезистор типа СТ18, который приклеивают к подложке термостойким клеем. Чувствительный слой наносят на установке УВН-83-П1 в безмасляном вакууме, испаряя навески из двух электронно-лучевых испарителей, работающих в режиме "прыгающего луча" с регулируемым периодом сканирования, Оптимальные условия формирования чувствительного слоя найдены методом математического планирования многофакторного технологичеСкого эксперимента. При этом реализована схема полного факторного эксперимента типа 2, приведенная в таблице.

В качестве варьируемых факторов х>. xz, хз методом экспериментальных оценок были выбраны:

x> — содержание примеси Sb к SnOz в первом испарителе, по массе;

xz — содержание примеси Jn к Яп02 во втором испарителе, % по массе; хз — отношение длительности общего периода. напыления из первого испарителя к длительности всего периода напыления.

В качестве функции отклика у принят коэффициент чувствительности К датчика к сероводороду, определяемый при концентрации его в воздухе, равной ПДК рабочей зоны (3 мгlм ) по формуле где Ro — сопротивление да; ".а в воздухе, RHzS — сопротивление:.. ка в с-".роводороде, Полученные. результаты .. о,-од эктг иного эксперимента по опред.=: Hèþ с т "-. мальных условий фор,ирования чувствительного слоя приведены в 5-м столбце таблицы. Из этих результатов видно, что максимум функции отклика (у = 17,0) реализуется при следующих значениях варьируемых факторов: x>-- 2.5: xz= 1,5; хз = 0.7. В таблице приведены средние значения у по измерениям 10 датчиков.

Оптимальная температура отжига напыленного чувствительного слоя определена опытным путем в ряде экспериментов, результаты которых представлены на фиг. 1, где приведена зависимость коэффициента чувствительности К при Cpz з = 3 мг/мз от температуры отжига чувствительного слоя, Из графика на фиг. 1 видно, что оптимальной температурой отжига является температура 450-500 С. Время отжига чувствительного слоя в токе увлажненного воздуха определено по данным рентгенофазового анализа чувствительного слоя исхо1797028

55 дя из критерия полного превращения смеси окислов SnO + Зп02 в фазу SnOg при сохранении чувствительности датчика к сероводороду. Этот критерий в случае отжига чувствительного слоя в токе увлажненного до уровня 85-90 % воздуха при температуре

450 — 500 С достигается за 4 ч, Испытания стабильности значения выходного параметра (электрического сопротивления) изготовленного по вышеприведенному способу датчика в воздушных средах различной влажности показали заметную зависимость R датчика от влажности анализируемой воздушной среды. Эти результаты показаны на графике фиг, 2, кривая а, Для уменьшения чувствительности датчика к влажности анализируемой газовой среды по данному способу era изготовления чувствительный слой после отжига при 450-500 С в токе увлажненного воздуха отжигают 0,5 ч при 150 — 200 С в токе осушенного воздуха с добавлением 0,5-1 по обьему паров фтористого водорода. На графике 2 (кривая б) показана чувствительность к влажности датчика. обработанного в парах HF. Анализ зависимостей графика фиг.

2 показывает, что термообработка в парах

HF снижает почти в три раза зависимость выходного параметра датчика от влажности анализируемой газовой среды. Механизм этого явления, по-видимому, обусловлен замещением гидроксильных групп на поверхности полупроводниковой двуокиси олова на фтор, что приводит к уменьшению чувствительности датчика к влажности.

Исследование зависимости коэффициента чувствительности датчика, изготовленного по заявляемому способу, от его рабочей температуры показало (фиг, 3), что на данной зависимости при 150 — 155 С имеется максимум. Эта температура (150155 С) и является наиболее оптимальной с точки зрения достижения наибольшей чувствительности датчика к сероводороду в обФормула изобретения

Способ изготовления газового датчика, заключающийся в последовательном формировании на диэлектрической подложке чувствительного слоя на основе легированной двуокиси слова, нагревателя, контактов к чувствительному слою и нагревателю, измерителя температуры. о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения чувствительности датчика к сероводороду в области микроконцентраций, равных ПДК рабочей зоны, чувствительный слой формируют путем чередующегося вакуумного напыления

45 ласти его микроконцентраций, равных ПДК рабочей зоны.

Технические преимущества эаявляемого способа изготовления газового датчика в сравнении с прототипом состоят в повышении чувствительности изготовляемого датчика к сероводороду в области его микроконцентраций, равных ПДК рабочей эоны. Способ по прототипу позволяет изготавливать газовые датчики, чувствительные в области высоких концентраций (0,1 об, и выше). Однако в области микроконцентраций сероводорода (ПДК и ниже) они обладают низкой чувствительностью и не могут использоваться в системах контроля безопасности труда. Заявляемый способ позволяет изготавливать газовые датчики, обладающие высокой чувствительностью к сероводороду в области его микроконцентраций (коэффициент чувствительности равен 17 при С = 3 мг/м ). Кроме того, датчики, з изготовленные по данному способу, обладает более низкой, чем по прототипу. рабочей температурой при анализе сероводорода (155ОC против 280 С у прототипа). Это позволяет уменьшить потребляемую Moùность и увеличить ресурс работы датчика.

Способ позволяет почти в три раза уменьшить чувствительность газовых датчиков к влажности анализируемой газовой среды.

Использование изобретения для контроля воздуха на предприятиях нефтегазовой, химической промышленности, а также других предприятиях, где возможно появление сероводорода в воздухе рабочей эоны, позволяет улучшить технику безопасности, повысить производительность труда и улучшить охрану окружающей среды.

Достоверность достижения цели видна из приведенных данных технологического эксперимента (см. таблицу), а также результатов экспериментальных исследований (фиг. 1 — 3) датчиков, изготовленных по данному способу. из двух испарителей, в первом из которых содержится навеска ЗпО + (2,5 0,1) Sb, а во втором — Sn02 + (1,5+0,1) Jn, при отношении длительности общего периода напыления иэ первого испарителя к длительности всего периода напыления, равном 0,7» 0,05, и полученную таким образом пленку отжигают сначала в течение 4 ч при температуре 450-500 С в токе увлажненного воздуха. а затем в течение 0,5 ч при температуре 150-200 С в токе осушенного воздуха с добавлением 0,5-1 по объему паров фтористого водорода, 1797028

Схема полного факторного технологического эксперимента типа 2 и полученные результаты

К

f8 бИ

J Og

Г х-. х у х

0,6

Оф оу

1 +- у +

0 20 g g pg 0 60 70 80 90 100

1797028

yg W %ф 4Ъ ф 4ф

Ъъ ьс

Составитель С.Смагнюк

Редактор Г.Бельская . Техред М.Моргентал Корректор M.Ìàêñèìèøèíåö

Заказ 649 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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