Способ изготовления чувствительного элемента газового датчика

 

Использование: в аналитическом приборостроении. Сущность изобретения: способ изготовления чувствительного элемента газового датчика включает нанесение пленки фталоцианина металла на электроды и последующее облучение пленки рентгеновскими лучами с энергией 150 - 200 кэВ дозой (4,5 - 9) 10³ P. 1 табл.

Предполагаемое изобретение относится к области аналитического приборостроения, а именно к технологии изготовления чувствительных элементов датчиков газов, и может быть использовано в производстве приборов и устройств для анализа газового состава окружающей среды.

Известен способ изготовления газового датчика, включающий изготовление пасты из газочувствительных компонентов, нанесение ее на две металлические спирали, одна из которых служит нагревателем, а другая используется для измерения электропроводности газочувствительного слоя, и отжиг сформированного таким образом датчика при высоких (≈ 100^oC) температурах. [1] Недостаток способа [1] в том, что датчики, изготовленные с его использованием, имеют низкое быстродействие и функционируют при высоких температурах, что связано со значительными энергозатратами. Кроме того, трудоемкой является и технология реализации способа [1] в частности процесс изготовления паст для чувствительного элемента.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ изготовления полупроводникового датчика состава газов, включающий нанесение на диэлектрическую подложку слоев металла и формирование в них нагревателя, системы электродов и нанесение пленки фталоцианина металла [2] Способ [2] принятый за прототип к заявляемому, в отличие от способа [1] позволяет изготавливать по групповой (микроэлектронной) технологии датчики, обладающие высоким быстродействием и работающие при сравнительно низких температурах (до 250^oC).

Недостаток способа [2] в том, что используемым при его реализации пленкам органических полупроводников фталоцианинов металлов в силу специфики межмолекулярных связей и кристаллической структуры присуща нестабильность физико-химических свойств, особенно при повышенных температурах. Протекающие в газочувствительном слое деградационные процессы обуславливают снижение чувствительности датчика к анализируемым газам.

Технический результат изобретения повышение чувствительности полупроводниковых датчиков за счет стабилизации физико-химических свойств газочувствительных пленок.

Данный результат достигается тем, что в способе изготовления чувствительного элемента газового датчика, включающем нанесение пленки фталоцианина металла на электроды, после нанесения пленки фталоцианина металла структуру облучают рентгеновскими лучами с энергией 150 200 кэВ дозой (4,5 - 9) 10³P.

Новым, необнаруженным при анализе патентной и научно-технической литературы в заявляемом способе является то, что после нанесения пленки фталоцианина металла структуру облучают рентгеновскими лучами с энергией 150 - 200 кэВ дозой (4,5 9) 10³P. Эти признаки являются существенными для достижения поставленной цели и отличают заявляемый способ от известных технических решений.

Заявляемый способ осуществляют следующим образом. На поверхность с электродами любым из известных методов наносят пленку фталоцианина металла заданной толщины. После этого структуру подвергают облучению рентгеновскими лучами с энергией 150 200 кэВ. При этом длительность облучения выбирают таким образом, чтобы суммарная доза излучения, падающего на структуру соответствовала дозе из интервала (4,5 9) 10³P 4,5 9 кР. Сам факт позитивного влияния рентгеновского излучения на газочувствительные свойства пленок фталоцианина металла и режимы облучения, при которых эффект максимален были определены экспериментально. Эксперименты выполнялись на структурах, изготовленных на подложках из ситалла СТ-50-1. Нагреватель в виде меандра, охватывающего область с измерительными электродами, и всю систему электродов создавали вакуумным напылением с последующим фотолитографическим формированием топологического рисунка на пленках никеля толщиной 0,1 мкм. Толщина контактных площадок из никеля или золота к электродам составляла 2 3 нкм.

Пленки фталоцианина меди на измерительные электроды (встречно-штыревая система) наносили методом термического вакуумного напыления на установке ВУП-5. Толщина пленок составляла 20 30 нм. Изготовленные таким образом структуры облучали на установке "Кавказ" рентгеновскими лучами в диапазоне энергий 100 300 кэВ. Дозу облучения варьировали путем изменения длительности воздействия рентгеновских лучей на структуры. Максимальная доза облучения составляла 10 кР.

Датчики, вмонтированные в корпуса типа ТМД-620, испытывали на чувствительность к сероводороду в интервале температур 150 175^oC на стандартном газовом стенде, состоящем из генератора газа-носителя (чистый воздух), смесительного блока, расходомеров и электронной измерительной системы. Чувствительность датчиков к сероводороду в концентрациях до 10 мг/м³ определяли как относительное пpиpощение в пpоцентах электpического сопpотивления пленки фталоцианина в исследуемой сpеде (R) к сопpотивлению в чистом воздухе (R₀): Экспеpименты показали: 1. Сpедняя чувствительность датчиков к сеpоводоpоду пpи концентpации 10 мг/м³ до облучения pентгеновскими лучами не пpевышала 6-7% 2. После облучения pентгеновскими лучами чувствительность возpастала до 20-24% пpичем максимальный положительный pезультат достигался пpи энеpгии pентгеновских лучей в диапазоне 150-200 кзВ и дозе облучения из интеpвала 4,5-9 кР. Пpи энеpгиях ниже 150 кэВ и дозах менее 4,5 кР чувствительность уменьшается пpиблизительно по экспоненциальному закону. Пpи облучении в указанных pежимах чувствительность достигает максимума и ее значение стабилизиpуется. Последнее свидетельствует о нецелесообpаз- ности облучения пpи энеpгиях более 200 кэВ и дозах выше 9 кР из-за увеличения энеpгозатpат на pадиационную обpаботку.

Положительный pезультат пpи pеализации заявляемого способа достигается благодаpя тому, что ионизиpующее излучение активиpует пеpестpойку межмолекуляpных связей в пленке фталоцианина, вследствие котоpой стабилизиpуется стpуктуpа полупpоводника (подавляются pелаксационные пpоцессы) и одновpеменно возpастает число адсоpбционных центpов на pеакционной повеpхности для молекул сеpоводоpода. На стабилизацию стpуктуpы, т.е. пеpеход ее в теpмодинамически pавновесное состояние указывает, в частности, обнаpуженный в экспеpиментах факт повышения электpического сопpотивления пленок, означающий снижение в pезультате облучения концентpации центpов генеpации носителей заpяда, вносящих энеpгетические уpовни в запpещенную зону полупpоводника. Такими центpами, в пеpвую очеpедь, являются слабые, нестабильные межатомные и межмолекуляpные связи.

Эффективность заявляемого способа иллюстpиpуют следующие пpимеpы пpактической апpобации.

Пpимеp 1.

По описанной выше технологии изготавливали датчики на сеpоводоpод, испытания котоpых на газочувствительность пpоводили в атмосфеpе с концентpацией H₂S pавной 10 мг/м³. Часть датчиков пеpед испытаниями подвеpгали облучению pентгеновскими лучами в pазличных pежимах. Полученные pезультаты пpедставлены в табл. 1 Как видно из данных табл. 1, во-первых, вследствие рентгеновского облучения существенно возрастает газочувствительность датчиков и, во-вторых, наибольший эффект достигается при режимах воздействия: энергия 150 200 кэВ и доза 4,5 9 кР.

Пример 2. Датчики, изготовленные по технологии способа-прототипа [2] и заявляемому способу (облучение рентгеновскими лучами с энергией 200 кэВ, дозой 9 кР), испытывали на стабильность газочувствительных свойств при температуре 175^oC в атмосфере сероводорода.

В результате испытаний установлено, что снижение чувствительности датчиков, изготовленных по способу-прототипу, в е-раз происходит в течение 24 25 мин. а датчиков, прошедших радиационную обработку за (9 - 10)10³ мин.

Т.е. изготовление датчиков по заявляемому способу обеспечивает не только увеличение чувствительности, но и повышает стабильность газочувствительных свойств.

Формула изобретения

Способ изготовления чувствительного элемента газового датчика, включающий нанесение пленки фталоцианина металла на электроды, отличающийся тем, что после нанесения пленки фталоцианина металла структуру облучают рентгеновскими лучами с энергией 150 200 кэВ дозой (4,5 9) · 10³Р.

РИСУНКИ

Рисунок 1