Способ изготовления чувствительного элемента датчиков газа

Использование: изобретение относится к газовому анализу, в частности к полупроводниковым газовым датчикам для контроля токсичных и взрывоопасных газов. Полупроводниковый чувствительный элемент представляет собой изолирующую подложку с предварительно нанесенными контактами, на которой методом реактивного магнетронного распыления составной мишени в атмосфере аргона и кислорода напыляют слой диоксида олова, легированного кремнием в виде диоксида кремния. Изготовленный таким образом чувствительный элемент отжигают на воздухе при температуре 400-500°С не менее 4 часов для формирования нанокристаллической структуры. Изобретение направлено на повышение селективности и снижение рабочей температуры чувствительного элемента. 1 ил.

 

Изобретение относится к газовому анализу, в частности к полупроводниковым газовым датчикам для контроля токсичных и взрывоопасных газов, и может быть использовано в тех областях науки и техники, где необходим анализ газовых сред.

Известен способ анализа газовых смесей с помощью полупроводниковых датчиков, основанный на измерении изменения электросопротивления чувствительного слоя при взаимодействии его с исследуемой средой. Чувствительный слой представляет собой диоксид олова, к которому добавлено 0,01-5 вес.% порошкообразного кремния и/или алюминия [1].

Согласно способу, описанному в [1], чувствительный элемент может быть изготовлен по керамической технологии путем спекания мелкодисперсных порошков диоксида олова и кремния и/или алюминия при высоких температурах. Полученные этим способом чувствительные элементы представляют параллелепипед с размером ребер порядка нескольких миллиметров.

К недостатком этого способа относятся низкая чувствительность элементов, необходимость высокотемпературного обжига, требующего дополнительных затрат энергии и специального оборудования. Для получения керамических датчиков требуется мелкодисперсный порошок высокочистого диоксида олова. Этот материал имеет высокую стоимость, а расход его на изготовление одного датчика велик в силу сравнительно больших размеров последнего.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ изготовления чувствительного элемента газовых датчиков, заключающийся в нанесении на изолирующую подложку путем вакуумного напыления сплава олова и меди, содержащего 0,05-2 ат.% меди с последующим окислением этого слоя до получения полного оксида. На полученные слои методом вакуумного напыления наносят контакты [2]. Ему, однако, присущ и ряд существенных недостатков: специальное изготовление при высоких температурах сплава олова и меди заданного состава для создания мишени; необходимость дополнительного окисления готовых пленок сплава Sn<Cu>, что приводит к низкой воспроизводимости результатов.

Изобретение направлено на повышение селективности чувствительного элемента и снижение его рабочей температуры.

Это достигается тем, что используется нанокристаллическая пленка SnOx:SiO2 толщиной 1 мкм с содержанием Si от 0,5 до 5 ат.%. Для изготовления пленок SnOx:SiO2 применяется составная мишень из металлического олова с вставками из кварца, площадь которых не превышает 10% от площади мишени. Пленка наносится на изолирующую подложку методом реактивного магнетронного распыления в атмосфере Ar/O2 в отношении 1/3 и затем отжигается на воздухе при температуре 400-500°С в течение не менее 4 часов для формирования нанокристаллической структуры SnOx:SiO2 с размером кристаллов (5-20 нм).

Газовая чувствительность определялась как , где Rв - сопротивление пленки на воздухе, Rг - сопротивление пленки в парах исследуемого вещества. Известно, что нелегированные пленки SnO2 определяют наличие этанола в воздухе при 330°С, легирование пленок SnO2 кремнием до 5 ат.% снижает температуру максимальной газовой чувствительности к парам этанола в воздухе в 5 раза.

На чертеже приведены температурные зависимости газовой чувствительности пленок SnO2, легированных кремнием, к парам этанола (7000 ppm) в воздухе: 1 - SnO2: (0,6%) Si; 2 - SnO2: (2,6%) Si; 3 - SnO2: (3%) Si; 4 - SnO2: (5%) Si.

Технические преимущества заявленного способа изготовления полупроводникового чувствительного элемента состоят, в сравнении с прототипом, в отсутствии необходимости изготавливать специальный сплав для мишени, в использовании типового оборудования технологии микроэлектроники, в отсутствии необходимости дополнительной операции окисления, в уменьшении количества технологических операций. Кроме того, чувствительный элемент, изготовленный по данному способу и состоящий из наноразмерных кристаллов (5-20 нм), можно использовать для определения более широкого спектра веществ при более низких температурах по сравнению с чувствительным элементом на основе нелегированных пленок SnO2. Простота напыления газочувствительного слоя из составной мишени улучшает воспроизводимость свойств полученных пленок, однородность напыляемых слоев и уменьшает разброс параметров пленок по пластине.

Источник информации

1. Патент Япония №59-65173, G 01 N 27/12, опубл. 18.01.93.

2. Патент РФ №2006845, G 01 N 27/12, опубл. 30.01.94 (прототип).

Способ изготовления чувствительного элемента датчика газов, включающий нанесение на изолирующую подложку слоя диоксида олова с примесью кремния, отличающийся тем, что слой диоксида олова с примесью кремния (0,5-5 ат.%) в виде диоксида кремния (SiO2) напыляют с помощью реактивного магнетронного распыления составной мишени олово-кварц в атмосфере аргон/кислород (1/3), после чего чувствительный элемент подвергают отжигу на воздухе при температуре 400-500°С не менее 4 ч для формирования нанокристаллической структуры.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к газоаналитическому приборостроению, а именно к созданию устройств детектирования газов на основе полупроводниковых чувствительных элементов, и может быть использовано для разработки высокоизбирательных газоанализаторов и сигнализаторов содержания оксидов азота в отходящих газах энергетических котлов, металлургических агрегатов, различных топливосжигающих устройств, в воздухе населенных пунктов и промзон, для других задач экологического контроля.

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к датчикам состава или потока газа. .

Изобретение относится к технике проведения анализа газовых сред, содержащих легколетучие органические и неорганические соединения. .

Изобретение относится к высокочувствительному тонкопленочному сенсору на этанол с быстрым откликом, способу его получения и способу получения раствора предшественников в виде гексаноатов молибдена и висмута, используемых для получения тонких пленок молибдата висмута.

Изобретение относится к способам и устройствам для контроля параметров газовых сред, в частности к контролю газовых смесей, содержащих кислород и водород, и может быть использовано в различных отраслях техники.

Изобретение относится к области измерений, в частности газовому анализу, и может быть использовано для создания пороговых датчиков, реагирующих на превышение допустимого содержания взрывоопасных и вредных для здоровья веществ.

Изобретение относится к области измерений. .

Изобретение относится к области газового анализа и может быть использовано для селективного определения содержания Н2 в различных газовых смесях в нефтеперерабатывающей, газоперерабатывающей, космической, горнорудной, приборостроительной и других отраслях промышленности.

Изобретение относится к аналитической химии и применяется для проведения анализа газовых сред, содержащих органические соединения. .

Изобретение относится к технике проведения анализа жидкостей и может быть использовано при анализе качества продуктов пищевой, химической, нефтехимической, фармацевтической промышленностей.

Изобретение относится к области аналитического приборостроения и может быть использовано в системах экологического мониторинга

Изобретение относится к области аналитического приборостроения и может быть использовано в системах экологического мониторинга
Изобретение относится к аналитической химии органических соединений и может быть применено для определения паров ацетальдегида в аромате творожной сыворотки

Изобретение относится к аналитической химии газовых сред и может быть использовано для определения аммиака в воздухе производственных помещений

Изобретение относится к газоаналитическому приборостроению и микроэлектронике и может быть использовано при производстве полупроводниковых преобразователей и сенсоров, изготовленных по полупроводниковой микроэлектронной технологии и предназначенных для детектирования и измерения концентрации окислительных и восстановительных газов в воздухе

Изобретение относится к технике проведения экспрессного анализа выдыхаемого пациентами воздуха для определения в нем микроконцентраций газов, являющихся маркерами нарушений гомеостатического состояния организма, с целью их диагностики extempore, в том числе во внелабораторных условиях

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам, применяемым для регистрации и измерения содержания монооксида углерода
Изобретение относится к аналитической химии органических соединений и может быть применено для определения концентрационных пределов воспламенения паров бензола с воздухом

Изобретение относится к аналитической химии пищевых продуктов и может быть применено для определения летучей кислотности вина
Наверх