Главная : Газочуствительные приборы на микромашинной мембране

Был спроектирован, изготовлен и протестирован толстопленочный газовый сенсор, основанный на микромашинной технологии, имеющий низкую потребляемую мощность. Он состоит из многослойной диэлектрический мембраны, изготовленной из оксида и нитрида кремния, с заключенным внутри мембраны поликремниевым резистором, используемым в качестве нагревателя и термочувствительного элемента. На поверхности мембраны методом трафаретной печати был нанесен газочувствительный слой. Мощность, равная 30 мВт, достаточна для нагревания чувствительной пленки до 400°С. Это делает такие устройства перспективными для применения в приборах, работающих от батарей. Измеренные тепловые характеристики хорошо согласуются с результатами трехмерного моделирования методом конечных элементов. Сравнение отклика микромашинных сенсоров СН4 с откликом обычных толстопленочных газовых сенсоров показало, что аналогичный отклик достигается при потребляемой мощности почти в десять раз меньшей, чем в случае толстопленочных сенсоров. При этом остальные свойства сенсоров, такие как долговременная стабильность чувствительного слоя, время отклика, концентрационная зависимость отклика и т.д. сохраняются теми же, что и в случае толстопленочных сенсоров.

Быстрое развитие промышленности и транспорта в XX веке привело к увеличению содержания различных газов-загрязнителей в воздухе. К числу этих газов относятся прежде всего СО, углеводороды (метан, пропан, пары бензина), аммиак, оксиды азота, озон и др. Они представляют опасность как с экологической точки зрения, так и в качестве причины возможных техногенных катастроф (взрывов, пожаров, массовых отравлений и т.д.)

Однако вместе с развитием промышленности появляются и новые средства защиты и предупреждения аварий на предприятиях. Одним из таких средств являются сенсоры, чувствительные к метану, угарному газу и другим горючим и токсичным газам. В последнее время появилось большое количество таких датчиков. Однако все они имеют сравнительно большие размеры и потребляют достаточно большую мощность для достижения температур, необходимых для оптимальной чувствительности сенсора. Поэтому важной задачей разработчиков стало сконструировать и испытать сенсор, пригодный для применения в переносных и карманных приборах, а также в приборах, работающих длительное время от автономных источников питания.
Изучение путей уменьшения мощности, потребляемой полупроводниковыми металлоксидными и термокаталитическими сенсорами, ведется с 1998 года совместно сотрудниками РНЦ Курчатовский Институт и Istituto Trentino di Cultura (Италия).

Полупроводниковые газочувствительные элементы (сенсоры) широко используются для определения концентраций горючих газов в воздухе. Принцип действия этих чувствительных элементов основан на изменении концентрации носителей тока (обычно электронов) и, следовательно, соответствующем изменении сопротивления металлоксидного полупроводника под действием хемосорбированного горючего газа.

Полупроводниковые чувствительные элементы для горючих газов обычно работают при достаточно высоких температурах. Эта температура неодинакова для различных газов и лежит в интервале от 250°C (водород) до 500 °C (метан). Необходимость нагрева сенсора предполагает применение нагревательных элементов, необходимых для поддержания рабочей температуры. Однако многие массовые применения газочувствительных элементов, например, в работающих от батарей газосигнализаторах или наиболее интересных с коммерческой точки зрения пожарных детекторах, требуют минимизации нагревающей мощности. Желательно, чтобы продолжительность работы таких устройств с батарейным питанием составляла несколько лет. Такая продолжительность не может быть получена с использованием традиционных тонко- или толстопленочных сенсоров.

В предварительных экспериментах минимизировали потребляемую мощность металлоксидных газочувствительных элементов, изготовленных по толстопленочной технологии. Были получены минимальные геометрические габариты и, следовательно, минимальная потребляемая мощность, достижимые с использованием обычной толстопленочной технологии. Габариты чипа чувствительного элемента составляют приблизительно 1.4ґ0.3ґ0.08 мм. Это соответствует оптимальной мощности при детектировании метана, равной приблизительно 130 мВт [2]. Внешние выводы чипа были сделаны из платиновой проволоки диаметром 20 мкм. Эта проволока сочетает высокую стойкость при рабочей температуре сенсора со сравнительно низкой теплопроводностью. Сравнительные данные, полученные при измерении отклика полупроводниковых сенсоров с чувствительным слоем из диоксида олова, легированного палладием.

Дальнейшее уменьшение потребляемой мощности может быть получено применением комбинированной технологии, включающей микромашинные этапы и нанесение толстопленочных чувствительных слоев сенсора. Микромашинная технология в этом случае используется для изготовления нагревательных элементов и других частей газового сенсора, требующих высокого геометрического разрешения, типичного для кремниевой микроэлектроники. Эта методика позволяет также серийно производить чувствительные элементы со встроенными электронными схемами. Толстопленочные материалы для чувствительных слоев имеют очевидное преимущество по сравнению с тонкими пленками, так как они гораздо более чувствительны и стабильны.