Полупроводниковый датчик состава газов и способ его изготовления

ОЮЗ СОВЕТСКИХОЦИАЛИСТИЧЕСКИЕСПУБЛИК 7 О 27 А 27/12 ГОСУДАРСТВЕННО ВЕДОМСТВО ССС (ГОСПАТЕНТ СССР ТЕНТНОЕ ОБРЕТЕНИ ИСАНИ СВИДЕТЕЛЬСТВУ О К АВТ лектротех.П. БутырСР 85. АТЧИК СО ИЗГОТОВ ах для контреды, в часе относится к. устроиствам раметров окружающей сре, может быть использовано я паров спирта, ацетона,Изобретени для контроля и ды и, в частност для обнаружен 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 20 з формируют нагреватели из материала с высокой температурой плавления, на которые нанесен изолирующий слой, например, из А 120 з. На изолирующем слое формируют электроды, например, из платины. на которые наносят газочувствител ьны й слой (ГЧ С).(56) Авторское свидетельство СМ 1245082, кл. 6 01 й 27/02, 1Заявка Японии М 63-75548кл.б 01 М 27/12.(57) Использование: в устройстроля параметров окружающей тности для контроля паров спирта, ацетона, метана и др. Сущность изобретения: полупроводниковый датчик состава газов содержит диэлектрическую подложку, сформированный на ней нагреватель, газо- чувствительный 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, Т 1, МЬ, 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 злектроизоляционным слоем. поверх которого расположены золотые электроды и ГЧС из Яп 02, ЮОз.Способ изготовления указанного газо- анализатора заключается в том, что на подложку из А 20 з 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 контакт 1797027ные площадки нагревателя, а сверху наносят ГЧС из.Япог.Недостатком такого газоанализатора испособа его изготовления является невысокая чувствительность ГЧС из-за того, что 5поверхность ГЧС недостаточно развита. Хотя расположение нагревателя и ГЧС на одной стороне подложки уменьшает. потребление мощности, однако наличиеэлектроизоляционного слоя между нагревателем и ГЧС препятствует эффективной передаче тепла в рабочую зону датчика,Цель изобретения - повышение чувствительности и уменьшениепотребляемоймощности датчика, 15Указанная цель достигается тем, что впредлагаемом полупроводниковом датчикесостава газов, содержащем диэлектрическую подложку, расположенный на ней нагреватель, ГЧС и электроды, нагреватель 20выполнен с защитным покрытием, состоящим по крайней мере из двух слоев, один изкоторых выполнен из оксида вЕнтильногометалла, дающего плотный оксид при анодировании, например, из Та, а второй - из 25пористого оксида алюминия,Предложенный способ изготовленияполупроводникового датчика состава газовзаключается в том, что на диэлектрическуюподложку по тенкопленочной технологии 30наносят слой металла, маскирующим травлением формируют рисунок нагревателя,наносят на него защитный слой, напыляяслой алюминия с подслоем вентильного металла, например Та, после чего структуру 35элюминий/вентильный металл подвергаютанодирования в электролите для пористогоанодирования алюминия. Затем наносятГЧС и формируют электроды, например, изалюминия. 40Существенным отличием способа является, то, что покрытие на нагревателе выполняют напылением алюминия поподслою вентильного металла с последующим его пористым анодированием. 45Полученное таким образом покрытиемзэ счет высокой теплопроводности позволяет увеличить теплопередачу от нагревателяк ГЧС, а за счет пористого анодирования -увеличить удельную поверхность ГЧС,На фиг. 1 изображен пример конструкции датчика; нэ фиг. 2 - разрез А-А нэ фиг.1.Полупроводниковый датчик состава газов содержит диэлектрическую подложку 1, 55например, из ситалла, стекла, поликора, наповерхности которой расположен пленочный нагреватель 2, например из никеля, егосплавов с защитным покрытием из слояплотного 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 ЯпОг, ЕпО, на котором размещены электроды 6.При подаче электрической мощности с аккумуляторного источника питания (на чертеже не показан) на нагреватель 2 он разогревается до рабочей температуры 350-550 С, в зависимости от регистрируемого газа (СО, СгН 5 ОН, СН 4 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 про- гводимости, уменьшает свою электропроводность отрицательным потенциалом и находится в состоянии электрического равновесия. Причем высокая удельная поверхность пленки пористого оксида алюминия 4 позволяет увеличить удельную поверхность ГЧ С 5 до 50 - 300 м /г, что дает возможностьгхемосорбировэть 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 регисри руется прибором, подключенным к электродам 6 (на чертеже не показан).П р и м е р, На диэлектрическую подложку из ситалла размером 60 х 40 х 0,5 мм наносят методом вакуумного магнетотронного распыления на постоянном токе никель из мишени К - 99,999 в среде аргона при Р = 5 х 10 мм рт. сттемпературе.зподложки 250 С и мощности газового разряда 0,5 - 0,6 кВт на установке УВНП-З. 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 120 ОС, вь водят на режим третий плоский магнетрон1797027 установленной на нем мишенью из алюминия марки А 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, 10После операции анодирования на поверхность пленки оксида алюминия наносят ГЧС, например ЯпОг, методом реактивного магнетронного распыления на постоянном токе оловянной мишени из олова чистоты 15 99,999 в аргоно-кислоодной среде при рабочем давлении 5 х 10 мм рт, ст., мощности газового разряда 0,5 кВт и температуре подложки 360 С до получения пленки Яп 02 толщиной 0,15-0,2 мкм на установке 20 УВНР-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 30 2. Способ изготовления полупроводникового датчика состава газов, включающий нанесение на диэлектрическую подложку слоев металла и формирование рисунка на гревателя, нанесение защитного слоя и газочувствительного слоя, формирование электродов, о тл и ч а ю щи й с я тем, что, с целью повышения чувствительности и снижения потребляемой мощности датчика, за щитное покрытие выполняют напылениемалюминия сподслоем вентильного металла, а затем структуру алюминий/вентильный металл подвергают анодированию в электролите для пористого анодирования алюми 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 газочувствительном слое,Чувствительность датчика к парам этилового спирта с концентрацией в воздухе 100 ррах 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 ) 0,8- 0,85 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 Фиг 2 Составитель Л,ЗерновТехред М,Моргентал дактор Г.Бельска кто р М.Максимишине Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101 Заказ 649 Тираж Подписное 8 НИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5