Способ изготовления тонкопленочного датчика для определения концентрации метана в газовой среде

 

Изобретение относится к полупроводниковой сенсорной технике. Технический результат изобретения - упрощение технологии изготовления датчика газа и снижение его стоимости. Сущность: на ситалловую подложку с растровыми электродами из антикоррозийного сплава наносится газочувствительный слой химически очищенного фталоцианина магния толщиной не более 15 нм, который подвергается технологической активации и легированию кислородом воздуха. 1 табл., 3 ил.

Изобретение относится к полупроводниковой сенсорной технике и может быть использовано для изготовления недорогих и простых в изготовлении датчиков для определения концентрации метана в газовой среде.

Известен способ изготовления тонкопленочного датчика для анализа газовой среды (патент PL 137250, кл. G 01 N 27/00, 1989), который включает нанесение газочувствительного слоя на подложку с электродами и технологическую активацию этого слоя.

К недостаткам датчика, полученного данным способом, относятся низкая чувствительность (18 мг/м³), большое время регенереции (15 мин), высокая рабочая температура (150°С) и сложность технологии изготовления (многократный - 11 циклов прогрев газочувствительного слоя).

Известен способ изготовления тонкопленочного датчика для анализа аммиака в газовой среде (патент RU 2172951, кл. G 01 N 27/12, 2001), принятый за прототип, который заключается в следующем.

На ситалловую подложку с растровыми электродами в вакууме наносится термической возгонкой тонкий слой (20 нм) фталоцианина меди, очищенного химическими методами. Температура подложки в процессе конденсации фталоцианина меди из газовой фазы поддерживалась 195-205°С. После напыления слой фталоцианина меди подвергался легированию кислородом в низком вакууме.

Однако в полученном по такому способу тонкопленочном датчике для газового анализа в процессе эксплуатации выявлены следующие недостатки:

1. Большая площадь датчика - 6,25 см² (25×25 мм).

2. Высокая рабочая температура - 95°С.

3. Высокое рабочее напряжение - до 36 В.

4. Необходимость регенерации датчика (прогрев до 135°С в течение 4-5 минут).

Изобретение направлено на упрощение технологии изготовления датчика газа и снижения его стоимости.

Это достигается тем, что на ситалловую подложку с растровыми электродами из антикоррозийного сплава наносится газочувствительный слой химически очищенного органического полупроводника толщиной не более 15 нм, который подвергается технохимической активации и легированию кислородом воздуха. В качестве органического полупроводника использован MgPc.

На фиг.1 изображен полупроводниковый датчик газа метана, где 1 - растровые электроды; 2 - слой фталоцианина магния; 3 - ситалловая подложка. На фиг.2 показана зависимость чувствительности (R_г/R₀) датчика от концентрации метана. На фиг.3 изображена зависимость десятичного логарифма чувствительности датчика от концентрации метана.

Предлагаемый способ изготовления тонкопленочного датчика для анализа метана в газовой среде заключается в следующем:

1. На ситалловую подложку (фиг.1, поз.3) с растровыми электродами из антикоррозийного сплава (фиг.1, поз.1), нагретую до 200°С в вакууме 10^-3 Па, наносится термической возгонкой тонкий слой (15 нм) фталоцианина магния (фиг.1, поз.2), очищенного химическими методами.

2. Легирование слоя MgPc кислородом воздуха.

Новым в предлагаемом способе по сравнению с прототипом является:

1. использование в качестве газочувствительного слоя органического полупроводника MgPc оптимальном толщины не более 15 нм;

2. площадь ситалловой подложки уменьшена до 1 см² благодаря использованию органического полупроводника фталоцианина магния (MgPc), обладающего проводимостью σ=10^-7 Ом^-1·м^-1, что на два порядка выше, чем у фталоцианина меди (σ=2·10^-10 Ом^-1·м^-1);

3. легирование кислородом воздуха.

Изготовление тонкопленочного датчика для анализа метана в газовой среде предлагаемым способом позволило получить чувствительность измерения концентрации (С) метана 0,05% в объеме воздуха и линейную зависимость IgR_г/R_о от концентрации (фиг.2), сократить расход органического полупроводника на изготовление, упростить технологию изготовления датчика и улучшить технические характеристики.

Испытания тонкопленочных датчиков для измерения концентрации метана в газовой среде проводились при t=50°C и напряжении 5 В. Измеряли зависимость показаний датчика от концентрации аммиака в пределах 0,05-0,5% в объеме воздуха. Зависимость сопротивления датчика от концентрации газа метана представлена на фиг.3. Для возврата сопротивления не требуется дополнительного прогрева и времени. Датчики обладают высокой стабильностью параметров. Погрешность в измерении первоначального сопротивления составила не более 1%.

В таблице представлено сопоставление характеристик заявленного способа и прототипа.

Формула изобретения

Способ изготовления тонкопленочного датчика для определения концентрации метана в газовой среде, включающий нанесение газочувствительного слоя химически очищенного органического полупроводника на ситалловую подложку с растровыми электродами из антикоррозийного сплава, технохимическую активацию этого слоя и прогрев газочувствительного слоя, отличающийся тем, что на ситалловую подложку площадью 1 см² наносят слой органического полупроводника фталоцианина магния, толщиной не более 15 нм, который затем подвергается легированию кислородом воздуха.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3