Чувствительный элемент для измерения парциального давления водорода

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

<о949469 (61) Дополнительное к авт. саид-ву (22) Заявлено 20. 01. 81 (21) 3239856/18-25

f$g) g> 3 с присоединением заявки ¹

G N 27/02

Государственный комитет

ССС Р по делам изобретений и открытий (23) Приоритет

t$3} УДК 543 ° 274 (088. 8) Опубликовано 070832, Бюллетень №29

Дата опубликования описания 07 ° 08 ° 82

« (72) Авторы изобретения

Ю.И.Гохфельд, В.Г.Фадин, Н.Н.Антипов, Ю.Д.Чистяков, A.H.Мочалов, A.Ì.Ïóëàâñê и и...С.gi.ÄåÚáé

I д .1

\: if

:" 22 r.,;.

" е" Д *2 Ф 2 « 21 (71) Заявитель (54) ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

ПАРЦИАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ ВОДОРОДА

Изобретение относится к газоаналитическому приборостроению и может быть использовано, например, при разработке газоанализаторов.

Известен чувствительный элемент для измерения парциального давленйя водорода, содержащий пленку окиси металла, нанесенную на диэлектричес« кую подложку и снабженную контактами для измерения электропроводности (13.

Однако такой чувствительный эле- . мент обладает недостаточно высокой избирательностью по отношению к водороду; а технология его изготовления сложна и плохо воспроизводима.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является чувствительный элемент для измерения парциального давления водорода, выполненный в виде канальной структуры типа металл-окисел-полупроводник (МОП), содержащий базу заданного типа проводимости, расположенные в базе с зазором между ними области истока и стока противоположного базе типа проводимости, изолирующий слой сверху упомянутого зазора и размещенный сверху изолирующего слоя электрод-затвор, выполненный из сорбирующего водород материала, например палладия f2).

Недостатком известных типов чувствительных элементов типа МОП является уменьшение точности измерения из-за дрейфа параметров элементов во времени, а также сравнитель. но небольшой срок службы. Это связано, в основном, с плохой адгезией к слою диэлектрика палладия и других материалов, пригодных для использования в чувствительном элементе.

Работа чувствительного элемента сопряжена с его прогревом до температуры около 100 С и выше. Из-за различия в значениях температурных коэффициентов расширения последнее приводит к постепенному (сначала по краям) отслаиванию затвора и

20 дрейфу основных параметров элемента.

Цель изобретения — повышение точности измерения и продление срока службы чувствительного элемента.

Цель достигается тем, что в чувствительном элементе для измерения парциального давления водорода, выполненном в виде канальной структуры типа металл-окисел-полупроводник, ЗО содержащем базу заданного тина про949469 водимости, расположенные в базе. с зазором между ними области истока и стока противоположного базе типа проводимости, изолирующий слой сверху упомянутого зазора и размещенный сверху изолирующего слоя 5 электрод-зазор, выполненный из сор-. бирующего водород материала, например палладия, сверху между стоком и истоком размещен встроенный канал с противоположным базе типом про-10 водимости, сверху по крайней мере стока выполнена дополнительная об,ласть, выходящая на поверхность базы со стороны затвора, имеющая тип проводимости, противоположный 15 типу проводимости стока, и перекрывающая по крайней мере сток в направлении параллельно зазору между стоком и истоком, причем глубина дополнительной области меньше глубины стока, а края затвора выступают за края изолирующего слоя.

В чувствительном элементе также ó краями затвора, выступающими за края изолирующего слоя, с одной 25 стороны, и базой и упомянутой дополнительной областью с другой, создан хемоэпитаксиальный слой силлицида палладия ° Это повышает адгезию затвора к базе.

По другому варианту затвор может быть электрически соединен с истоком путем образования хемоэпитаксиального слоя силлицида палладия между краем затвора, выступающим закрай изолирующего слоя, и областью истока. Это упрощает конструкцию чувствительного элемента.

На фиг.1 показан чувствительный элемент, общий виду на фиг.2 разрез A-A на фиг.1; на фиг.3, — се- 4О чение Б-Б на фиг.1; на фиг.4 — один из вариантов выполнения чувствительного элемента.

Предлагаемый чувствительный эле- 45 мент выполнен на основе монокристалла кремния, например р-типа проводимости, с использованием стандартной технологии полупроводникового приборостроения. Он содержит базу 1 р-типа проводимости, расположенные в базе области истока 2 и стока 3 итипа проводимости с электрическими выводами 4, зазор 5 между областями

2 и 3 с встроенным каналом и-типа проводимости между истоком и стоком дополнительную область 6 р-типа проводимости, изолирующий слой 7 двуокиси кремния и затвор 8 из палладия сверху слоя 7. Края 9 затвора 8 выступают за края изолирующего слоя 60

7 по всему периметру затвора, образуя места соединения 10 с базой 1 и областями 6 или .с базой 1, областью 6 и истоком 2 (по другому варианту). Затвор 8 и база 1 могут 4,5 быть снабжены электрическими выводами 11 и 12.

Область 6 перекрывает сток 3 в направлении вдоль канала 5 -(фиг.3), т.е. размер Ь превышает размер .

В то же время глубина д области 6 меньше глубины D стока 3 (фиг.1).

Дополнительные области 6 расположены как со стороны истока 2, так и со стороны стока 3, а между краями 9 затвора по всему периметру последнего с одной стороны и областями 6 и базой 1 с другой размещен хемоэпитаксиальный слой силлицида палладия, созданный термообработкой напыленног0 на кремний палладия.

Хемоэпитаксиальный слой показан в виде соединения 10 ° По другому варианту (фиг.4) дополнительная область 6 выполнена только со стороны стока 3, а между краем 9 затвора

8 и истоком 2 также образован слой силлицида палладия. В этом варианте затвор 8 непосредственно (а не через р-и переход) электрически соединен с истоком 2.

Чувствительный элемент работает следующим образом.

Между выводами 4 подают напряжение, превышающее напряжение отсечки канала 5 минусом на исток 2. При этом через чувствительный элемент протекает ток насыщения как в обычном полевом транзисторе с нулевым напряжением на затворе (по схеме с общим истоком) . Величина этого тока определяется исходной концентрацией основных носителей заряда в канале 5, которая задается технологически. При подаче водорода последний сорбируется в палладиевом затворе 8 и изменяет контактную разность потенциалов между затвором и каналом 5 (примерно на 0,5 В при парциальном давлении, водорода 10 мм рт.ст.).

Это изменение приводит к увеличению концентрации основных носителей в канале 5 и, следовательно, к росту величины тока насыщения.

Таким образом, изменение величины тока насыщения характеризует количество водорода в палладии и пропорциональное ему парциальное давление водорода в анализируемом газе. Чувствительный элемент практически не реагирует на другие компоненты газовой смеси;

Наличие встроенного канала 5 в предлагаемой конструкции чувствительного элемента обязательно, так как канал не может быть индуциро- . ван подачей положительного напряжения на затвор 8 ° Подача отрицательного напряжения на затвор 8 (ло отношению к истоку 2) допустима в основном варианте, следовательно, оказывается возможным управление

949469 вольт-амперной характеристикой (выбор начальной величины тока насыщения при отсутствии водорода).

По другому варианту чувствительный элемент является электрически неуправляемым, но он более прост в конструктивном отношении.

Цель изобретения достигается за счет того, что в предлагаемой конструкции чувствительного элемента края 9 затвора 8 расположены не на изолирующем слое 7 двуокиси кремния, а на кремнии и скреплены с последним в местах соединения 10 слоем, силлицида палладия. Таким образом, края затвора плотно пришиты к областям 6 и базе 1 (по основному варианту) или к истоку 2, области 6 и базе 1 (по другому варианту). Они не могут терять адгезию и отслаиваться под воздействием внешних факторов. Одновременно затвор 8 оказывается электрически изолированным от истока 3 запертым р-и переходом между стоком 3 и областью 6.

Техническим преимуществом изобретения является повышение стабильности параметров чувствительного элемента и, следовательно, точности измерений, а также долговечность.

Одновременно представляется возможным повысить рабочую температуру по сравнению с известными решениями не рискуя при этом выходом элемента из строя, что повышает быстродействие.

Технология изготовления предлагаемого элемента более проста и менее критична к стабильности технологических режимов. Тем самым повышается выход годных элементов и снижается их стоимость.

Формула изобретения

Чувствительный элемент для измерения парциального давления водорода, выполненный в виде канальной структуры типа металл-окисел-полупроводник, содержащий базу заданного типа проводимости, расположенные в базе с зазором между ними области истока и стока противополож10 ного-базе типа проводимости, изолирующий слой сверху упомянутого зазора и размещенный сверху изолирующего слоя электрод-затвор, выполненный из сорбирующего водород

)5 материала, например палладия, о т— л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности измерения и продления срока службы чувствительного элемента» между истоком и

Zp стоком размещен встроенный канал с противоположным .базе типом проводимости, сверху по крайней мере стока выполнена дополнительная область, .выходящая на поверхность базы со стороны затвора, имеющая тип проводимости, противоположный типу проводимости стока, и перекрывающая по крайней мере сток в направлении параллельно зазору между истоком и стоком, причем глубина дополнительной области меньше глубины стока, а края затвора выступают за края изолирующего слоя.

Источники информации, 35 принятые во внимание при экспертизе

1. Патент США Р 4045173, кл. 23-254Е, опублик. 1977.

2. Патент США Р 4058368, кл. 23-254, опублик. 1977 (прототип).

949469 иг. фиг. Я г фиг. У

Составитель В.Екаев

Редактор й.Шандор Техред T.Ìàòî÷êà КорректорС.Шекмар

Заказ 5735/30 Тираж.887 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раутаская наб, д. 4/5

Филиал ППП Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4