Полупроводниковый металлооксидный датчик газов

 

Изобретение относится к области газоаналитической техники и аппаратуры, в частности к полупроводниковым металлооксидным датчикам для контроля токсичных и взрывоопасных газов. Сущность: датчик газов представляет собой кристалл кремния, покрытый изолирующим слоем диоксида кремния, на котором размещены нагреватель-термодатчик, выполненный в виде резистора из платины с подслоем титана, электроды встречно-штырьевой конструкции из того же материала для газочувствительного слоя и чувствительный слой, представляющий собой поликристаллическую пленку диоксида олова или другого металлооксидного полупроводника. Кристалл помещен в стандартный четырехвыводной металлостеклянный корпус, легко встраиваемый в газовые системы. Технический результат изобретения заключается в упрощении конструкции и повышении надежности газового датчика. 2 ил.

Изобретение относится к области газоаналитической техники и аппаратуры, в частности к полупроводниковым металлооксидным датчикам для контроля токсичных и взрывоопасных газов.

Известны конструкции датчиков, которые представляют собой изолирующую подложку, на которой находится резистивный нагревательный элемент из металла с изолирующим покрытием или без него, термодатчик для контроля температуры чувствительного элемента, газочувствительный элемент с электродами для снятия выходного сигнала в ответ на действие газа, влажности и других внешних воздействий. Перечисленные выше элементы могут располагаться как на одной стороне подложки, так и с противоположных сторон /1,2/.

Однако эти датчики отличаются сложностью конструкций и технологии их изготовления, а также их высокой стоимостью за счет большого числа операций. Возможно ухудшение изоляционных свойств соответстствующих покрытий при высоких температурах и в результате этого возникновения электрической связи между элементами датчика, расположенными в различных слоях.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам к данному изобретению является конструкция газового датчика, содержащая резистивный нагревательный элемент и термодатчик из платины и титана одинаковой топологии, размещенные по краям кристалла датчика. В центре кристалла находится контактная система из того же материала для газочувствительного слоя. Газочувствительный элемент представляет собой полупроводник из оксида металла /3/.

Недостатком данного устройства является расположение нагревателя на одном краю кристалла датчика, что приводит к возникновению градиента температуры вдоль кристалла, большая рассеиваемая мощность, а также и то, что функцию нагревателя и термодатчика выполняют два разных резистивных элемента.

Изобретение направлено на упрощение конструкции, уменьшение площади кристалла датчика, снижение потребляемой мощности, улучшение равномерности нагрева и повышение надежности газового датчика. Это достигается тем, что нагреватель расположен по периметру вдоль трех сторон кристалла и совмещен в одной тонкопленочной структуре с термодатчиком, а контактные слои выполнены в виде однослойных планарных структур. Расстояние между крайними элементами датчика уменьшается до 0,8 мм.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 представлен вид газового датчика сверху; на фиг.2 - поперечный разрез.

Позиции на чертеже обозначают: подложка из кремния - 1; изолирующий слой диоксида кремния - 2; нагреватель-термодатчик платина с подслоем титана - 3; контакты под чувствительный элемент - 4, 5; газочувствительный слой - 6; контактные площадки - 7.

Газовый датчик представляет собой кристалл кремния, покрытый слоем диоксида кремния, на котором скомпонованы элементы датчика по стандартной планарной технологии. Контактные площадки из платины с подслоем титана сгруппированы с одной стороны кристалла, чтобы облегчить выполнение заключительной технологической операции нанесения диоксида олова с использованием маски или фотолитографии.

Вдоль трех других сторон кристалла размещен резистор на основе платины с подслоем титана, который одновременно является и термодатчиком. Такая конструкция нагревателя имеет стандартное напряжение питания (1,5 , 3 , 6 , 12 В) и малую потребляемую мощность (менее 500 мВт). Газочувствительный элемент представляет собой поликристаллическую пленку металлооксидного полупроводника (например, диоксида олова), нанесенную на поверхность кристалла через маску или в окна, вскрытые при фотолитографии. Поскольку удельное сопротивление чувствительного слоя велико, то контактная система, помещенная в центр кристалла, представляет собой встречно-штырьевую конструкцию, что согласуется с зернистой структурой поликристаллических пленок.

Кристалл помещен в стандартный четырехвыводной металлостеклянный корпус типа ТО-5, легко встраиваемый в газовые системы.

В качестве примера исполнения датчика можно предложить следующую конструкцию. На кристалле размером 1000x1000 мкм из Si, покрытого слоем SiO₂, толщиной порядка 1 мкм, размещены элементы датчика, выполненные по стандартной пленарной технологии. Контактные площадки размером 120x120 мкм из платины с подслоем титана сгруппированы вдоль одной стороны кристалла. Нагреватель (термодатчик), выполненный из платины с подслоем титана, имеет топологию тонкопленочного резистора с сопротивлением около 60 Ом и расположен по периметру вдоль трех сторон кристалла. В центре кристалла помещена контактная система для газочувствительного слоя из того же материала, представляющая собой встречно-штырьевую конструкцию из (13-17) контактных полосок шириной (18 - 20) мкм с зазором (19-21) мкм. Газочувствительный элемент представляет собой поликристаллическую пленку любого металлооксидного полупроводника, нанесенную на поверхность кристалла через маску или в окна, вскрытые фотолитографией, магнетронным (ионно-лучевым) реактивным распылением или другим способом.

Устройство работает следующим образом.

Перед началом работы чувствительный элемент датчика 6 нагревают до рабочей температуры, соответствующей максимальной адсорбции выбранного газа. Нагрев осуществляется путем подачи разности потенциалов заданной величины (1,5-6) В на контакты нагревателя 3. Производится регистрация исходного сопротивления газочувствительного слоя 6 и контролируется его рабочая температура по величине сопротивления нагревателя. Затем датчик помещается в анализируемую газовую смесь. Адсорбция газа приводит к изменению сопротивления пленки газочувствительного слоя. Регистрация изменения величины сопротивления газочувствительного слоя позволяет судить о концентрации газа в анализируемой газовоздушной смеси.

Источники информации 1. Патент Японии 1-196556, G 01 N 27/12, опублик. 1989.

2. Патент Германии 0018.96, G 01 N 27/14, опублик. 08.12.94.

3. Патент РФ 2114422, G 01 N 27/12, опублик. 1998 (прототип).

Формула изобретения

Полупроводниковый металлооксидный датчик газов, представляющий собой изолирующую подложку с размещенными на ней нагревателем, электродами для газочувствительного слоя и газочувствительным слоем, отличающийся тем, что нагреватель расположен по периметру вдоль трех сторон кристалла и совмещен в одной тонкопленочной структуре с термодатчиком, а контактные слои выполнены в виде однослойных планарных структур.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2