Датчик газоанализатора

 

Сущность изобретения: датчик содержит кремниевую подложку со сквозным отверстием, покрытым с рабочей стороны датчика мембраной из диоксида кремния. На мембране последовательно расположены пленочный нагреватель, слой диэлектрика, газочувствительный полупроводниковый слой, а также токопроводящие контакты к нагревателю и газочувствительному слою. Отверстие в подложке заполнено окисленным пористым кремнием, концентрация пор в котором от границы раздела с мембраной линейно уменьшается по глубине отверстия от 60 до 20%. 1 ил.

Изобретение относится к приборостроению, а именно к области газового анализа и контроля состава окружающей среды.

Известен полупроводниковый датчик газоанализатора, содержащий керамическую подложку-корпус с нагревателем, на поверхности которой находятся два электрода с нанесенной между ними полупроводниковой пленкой оксида металла [1].

Чаще всего в качестве полупроводникового газочувствительного слоя используют пленки диоксида олова SnO₂ с различными легирующими добавками, обеспечивающими селективность датчика к определенным газам при конкретных значениях рабочей температуры. Принцип работы полупроводникового датчика основан на регистрации изменений проводимости слоя оксида металла при адсорбции на его поверхности атомов или молекул детектируемого газа. Недостаток известной конструкции датчика газоанализатора в том, что его функционирование в рабочих (для данного вида анализируемого газа) режимах связано с высоким энергопотреблением (≥ 1 Вт), обусловленным непроизводительными затратами на нагревание всего объема керамической подложки-корпуса.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому служит конструкция датчика газоанализатора, содержащего кремниевую подложку с отверстием, покрытым с рабочей стороны датчика мембраной - тонкой пленкой диоксида кремния, на которой последовательно расположены пленочный нагреватель, слой диэлектрической изоляции, газочувствительный слой, а также токопроводящие контакты к нагревателю и газочувствительному слою [2]. Достоинство этой конструкции датчиков газоанализаторов - низкое энергопотребление (< 1 Вт). Из-за высокого теплового сопротивления между активной областью, содержащей газочувствительный слой, и корпусом (кремниевой подложкой) практически вся подводимая к нагревателю энергия расходуется на обеспечение заданной температуры газочувствительного слоя, что и обуславливает существенное снижение мощности резистивного нагревателя. Непроизводительные потери энергии последнего связаны лишь с нагревом имеющих низкую теплопроводность пленки диоксида кремния и воздушного столба в отверстии, изготовленном в кремниевой подложке. Недостаток описанного датчика в том, что наличие тонкой мембраны из диоксида кремния значительно снижает механическую прочность всей конструкции в целом. Это, во-первых, приводит к уменьшению выхода годных датчиков на этапе их приготовления из-за высокой вероятности разрушения мембраны, во-вторых, снижает надежность функционирования датчика в процессе эксплуатации, когда систематическое или случайное воздействие механических и термических упругих напряжений при достижении критической величины также способно разрушить мембрану.

Технический эффект от использования изобретения заключается в увеличении механической прочности датчиков.

Это достигается тем, что в датчике газоанализатора, содержащем кремниевую подложку со сквозным отверстием, покрытым с рабочей стороны датчика мембраной из диоксида кремния, на которой последовательно расположены пленочный нагреватель, слой диэлектрической изоляции, газочувствительный полупроводниковый слой, а также токопроводящие контакты к нагревателю и газочувствительному слою, отверстие в подложке заполнено окисленным пористым кремнием, концентрация пор в котором от границы раздела с мембраной линейно уменьшается по глубине отверстия от 60 до 20%.

Повышение механической прочности предлагаемой конструкции по сравнению с известными, во-первых, связано с увеличением толщины слоя, обладающего высоким тепловым сопротивлением (мембрана из диоксида кремния плюс слой окисленного пористого кремния с линейно изменяющейся концентрацией пор), и во-вторых, обусловлено снижением уровня внутренних механических напряжений в системе вследствие компенсации растягивающих подложку напряжений от мембраны из диоксида кремния напряжениями от слоя окисленного пористого кремния, заполняющего отверстие по толщине кремниевой подложки. Эффективность компенсации напряжений повышается также из-за того, что на больших расстояниях от границы раздела с мембраной концентрация пор в окисленном пористом кремнии снижается.

На чертеже представлен датчик газоанализатора.

Он содержит кремниевую подложку 1 с отверстием, заполненным окисленным пористым кремнием 2 и контактирующим с мембраной из обычного (плотного) диоксида кремния 3, на которой последовательно расположены пленочный резистивный нагреватель 4, слой диэлектрической изоляции 5, газочувствительный полупроводни- ковый слой 6, и токопроводящие контакты 7 к нагревателю 4 и газочувствительному слою 6. Толщина слоя окисленного пористого кремния в отверстии 2 может быть меньшей или равной толщине подложки, необходимо лишь, чтобы концентрация пор в этом слое линейно уменьшалась по глубине от границы раздела с мембраной от величины 60 до 20%.

Изготавливают предлагаемый датчик газоанализатора следующим образом. В исходной кремниевой подложке с нерабочей стороны путем анодной обработки в электролитах на основе фтористоводородной кислоты формируют локальные слои пористого кремния на глубину, меньшую толщины подложки на величину толщины слоя диоксида кремния в случае, если его получают термическим окислением, или равную толщине подложки при использовании других методов осаждения мембраны. Неоднородность распределения концентрации пор в пористом кремнии по глубине создают путем изменения плотности тока, протекающего через электролитическую ячейку. Так, для получения линейно изменяющегося по глубине профиля концентрации пор от 20 до 60% плотность тока по мере образования пористого кремния увеличивают от 17-20 до 160-180 мА/см².

После этого осуществляют окисление структуры с пористым кремнием термическим способом в атмосфере влажного (для ускорения процесса) кислорода. Пленку диоксида кремния на рабочей стороне создают либо одновременно с окислением пористого кремния, используя при этом доокисление в сухом кислороде для уплотнения пленки, либо пиролитическим окислением. На дальнейших этапах используют стандартные технологические приемы для формирования нагревателя, диэлектрической и газочувствительной пленок, контактов с финишным разделением пластины на отдельные кристаллы-датчики.

Эксперименты показали следующее.

1. При одинаковой толщине слоя однородного окисленного пористого кремния механическая прочность структур повышается по мере снижения пористости, однако при этом увеличивается мощность, потребляемая нагревателем для поддержания постоянной температуры. При концентрации пор 20% и ниже потребляемая мощность при температурах, близких к 650К достигает 630 мВт. С увеличением концентрации пор до 60-70% мощность снижается до 200 мВт. Однако при этом в 6-8 раз уменьшается механическая прочность структур.

2. В случае неоднородного распределения концентрации пор по глубине слоя окисленного пористого кремния наибольшая механическая прочность (≈ 318 МПа) и минимальная потребляемая нагревателем мощность (≅ 207 мВт) зафиксирована при условии, что вблизи мембраны из диоксида кремния концентрация пор составляет 60%, а вблизи обратной, нерабочей стороны датчика - 20%.

3. Обнаруженные закономерности в пределах экспериментальных погрешностей остаются справедливыми при распределении концентрации по линейному и нелинейным (квадратичный, экспоненциальный) законам изменения профиля по глубине, из которых первый наиболее легко технически реализуется на практике.

Формула изобретения

ДАТЧИК ГАЗОАНАЛИЗАТОРА, содержащий кремниевую подложку со сквозным отверстием, покрытым с рабочей стороны датчика мембраной из диоксида кремния, на которой последовательно расположены пленочный нагреватель, слой диэлектрической изоляции, газочувствительный полупроводниковый слой, а также токопроводящие контакты к нагревателю и газочувствительному слою, отличающийся тем, что отверстие в подложке заполнено окисленным пористым кремнием, концентрация пор в котором от границы раздела с мембраной линейно уменьшается по глубине отверстия от 60 до 20%.

РИСУНКИ

Рисунок 1