Газочутливий сенсор

Реферат: UA 74835 U UA 74835 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до датчиків виявлення газів і може бути використана у виробництві сенсорних структур. Найбільш близьким аналогом є газочутливий сенсор [Патент USA № US6893892 В2, H01L21/00. 17.05.2005], у якому на лицьовій поверхні напівпровідникової кремнієвої пластини утворені шляхом електрохімічного травлення матеріалу пористі шари і сформовані контакти методом електронно-променевого випару (ЕПВ). На фронтальній поверхні сформовано контакти методом ЕПВ з розчинів, що включають в собі комбінацію з міді, срібла, золота та інших металів, які використовуються при нанесенні хімічними методами. Виготовлення таких газочутливих сенсорів є високо затратним за рахунок операцій ЕПВ. В основу корисної моделі поставлено задачу, що полягає у створенні газочутливого сенсору, в якому за рахунок утворення контактної сітки на нанокристалітах пористого кремнію забезпечується підвищення чутливості, збільшення динамічного діапазону вхідної величини, зменшення габаритних розмірів і маси, спрощення виготовлення і підвищення строку служби. Для вирішення поставленої задачі у газочутливому сенсорі, що містить поліровану пластину монокристалічного кремнію n-типу провідності, на тильній поверхні якої шляхом електролітичного травлення з фотошаблоном за умов освітлення утворені пористі шари кремнію, згідно з корисною моделлю поверх пористих шарів кремнію на тильній стороні сформовано контактну наноструктуровану сітку з міді з розмірами до 600 нм і контакт з міді по торцю пористого кремнію, а на фронтальній стороні методом пульверизації утворено контакт In:Sn. Розміри утвореної наноструктурованої сітки (до 600 нм) пояснюються технологічними умовами осадження металфталоціанінів (температурою підкладки, температурою розчину і умовами підготовки зразків). Розробка технологічно ефективного розташування електропровідних контактів з тильної сторони газочутливого сенсору використовується для підвищення чутливості сенсорної структури. Такий сенсор забезпечує найкращі показники по зміні поверхневого опору при виявленні газоподібних НСl і НВr, які є досить токсичними речовинами, так як допустиме 3 значення в повітрі робочого приміщення для НСl не більше 0,005 мг/л, для НВr 0,5 мг/м . Для виготовлення газочутливого сенсору були використані пластини монокристалічного кремнію діаметром 100 мм, який вирощений за методом Чохральского марки КЕФ - 0,005, завтовшки 250 мкм з кристалографічною орієнтацією поверхні (100). Хімічна обробка пластин здійснювалась у перекисно-кислотній (НСl:Н2О2:Н2О=1:1:5) та перекисно-аміачній (NH4OH:H2O2:H2O=1:1:5) сумішах. Потім пластини промивались і сушились в центрифузі. Плівки поруватого кремнію на тильній стороні пластини утворювались за допомогою методу 2 електролітичного анодування у розчині HF:H2O:HBr=15:80:5 ваг. ч, щільність струму 30 мА/см , час травлення 3 хвилини при товщині шару пористого кремнію 2 мкм. Наявність поруватого кремнію обумовлена необхідністю збільшення ефективної площі чутливого елемента при зменшенні загальних лінійних розмірів і підвищеною чутливістю його до широкого спектру газів, що призводить до процесів деградації (старіння). Використання пористого кремнію в газочутливих сенсорах спрощує технологію виготовлення методами електролітичного травлення. На наступному етапі методом пульверизації на тильну сторону напівпровідникової пластини після утворення поруватого кремнію осаджувалась тонка плівка розчину фталоціаніну міді (C32H16N8Cu) з ацетоном і водою, яка покривала шар поруватого кремнію. Потім пластину було переміщено в ексікатор на 1 годину. Після того її було відпалено при температурі 250 °C в плині 5-10 хвилин в муфельній печі, де в процесі термічного розпаду фталоціаніну міді утворювались мідні наноструктуровані контакти на поверхні поруватого кремнію. Товщина (d) виготовлених контактів вимірювалась за допомогою п'єзорезонансного мікрозважування і становила до 600 нм. Наступною операцією на тильній стороні пластини є утворення методом магнетронного напилення з фотошаблоном суцільної плівки міді по торцю пористого кремнію для збирання заряду. Наступним етапом методом пульверизації на фронтальну сторону напівпровідникової пластини наносили In:Sn. На фіг. 1 зображена схема газочутливого сенсору, що заявляється. Газочутливий сенсор складається з пластини монокристалічного кремнію п-Si (1), на тильній поверхні якої створено пористий кремній (2), поверх якого методом пульверизації розчину фталоціаніну міді з наступним відпалом зразка сформовано контактну наноструктуровану сітку з міді (3) і контакт з міді по торцю пористого кремнію (4), на фронтальній стороні методом пульверизації утворено контакт In:Sn (5). 1 UA 74835 U 5 10 15 20 Газочутливий сенсор працює таким чином, коли на поверхню пористого кремнію попадають молекули газоподібного НСl або НВr при необхідній концентрації виникає зміна поверхневого опору пористого кремнію, який передається контактній сітці з міді. Утворюється інтерфейс між зовнішнім середовищем і електронною технікою. Газочутливий сенсор - це первинний перетворювач сигналу (енергії), який перетворює сигнал однієї фізичної природи в сигнал іншої природи. Для виміру вольт-амперних характеристик газочутливого сенсору In:Sn/n-Si/porSi/C32H16N8Cu/Cu за допомогою притискних контактів на електроди подається стабілізована постійна напруга (як правило, в інтервалі 0,1-5 В) і вимірюються струми, що протікають через плівку, за допомогою вимірювача малих струмів ВМТ-05, підключеного до самописного потенціометра КСП-4. За умов газового середовища (відносної вологості) НСl і НВr та наступної операції дегазації киснем проводили виміри ВАХ тестових структур і дослідження чутливості в атмосфері ексикатора за допомогою сольового генератора (закриті обсяги з перенасиченими розчинами солей NaCl та КС1) у межах 12…85 % (табл.). Чутливість сенсорного елемента до експозиції в газовому середовищі визначалась з ВАХ (поверхневого електричного опору структури сенсора) і визначалась як відношення S=R/R1 = (R1-R2)/ R1, де R2 - опір структури після експозиції в газовому середовищі; R1 - початковий опір структури до експозиції в газовому середовищі. Таблиця Чутливість, час релаксації і виклику сенсорної структури при експозиції НСl і НВr Експозиція газу HCl HCl НВr НВr 25 30 35 40 45 50 Концентрація газу, ррm 4 8 3 6 А, час відкліку, с 40 40 55 55 D, час релаксації, с 120 120 157 157 S, чутливість сенсорної структури 0,38 0,56 0,285 0,42 Кінетика зміни поверхневого опору структур por-Si/PcCu при експонуванні в середовищі Сl при температурі розчину НСl Тр=40 °C, Вr за температурою НВr Т р = 60 °C представлена на фіг. 2 а, б. При адсорбції в області гетеропереходу молекули Сl і Вr мають негативний заряд (Сl) і (Вr) і концентрація електронів в n-Si збільшується, область просторового заряду в Si зменшується. Як відомо, в електронному Si концентрація дірок на порядок нижча ніж концентрація носіїв заряду в нанокристалах PcCu p-типу провідності. Тому протікання окислювально-відновлювальних реакцій на поверхні PcCu найбільш значно проходить зі зміною області просторового заряду, ніж в n-Si, що в свою чергу не призведе до деградації структури ПК і збільшенню потоку носіїв заряду на межі гетеропереходу n-Si/PcCu і темпу рекомбінації, що визначає оборотний струм гетеропереходу. Дослідження вологочутливості структур показали досить високі результати на гідрофільність поверхні. Адсорбція молекул НСl і НВr на поверхні ПК змінює складний механізм провідності електронів у структурі сенсора. Адсорбція полярних молекул води може привести до зниження потенційних бар'єрів, підвищенню рухливості носіїв заряду й провідності. За умов адсорбції газових молекул відбувається зміна молекулярних структур адсорбенту та адсорбату і утворення безпосереднього зв'язку або локальної взаємодії між центрами адсорбції й адсорбатом. При низькому ступені заповнення поверхні домінуючу роль грають внутрішньомолекулярні зміни адсорбату, а при високих ступенях заповнення й при полімолекулярній адсорбції визначальне значення має міжмолекулярна взаємодія в адсорбованій плівці. Наявність у молекули води великого дипольного моменту збільшує сумарну енергію взаємодії з ПК і дозволяє зневажити процесом адсорбції газових молекул, що входять до складу повітря, тому що молекула води має малі значення кінетичного діаметра 0,264 нм і площі 2 адсорбції 0,125 нм , але володіє аномально високою величиною діелектричної проникності =81. Це і приводить до істотної зміни ефективної діелектричної проникності ПК при адсорбції водяної пари. Тому в основному досліджують датчики вологості ємнісного типу, у яких шар пористого кремнію отриманий методом електрохімічного анодування. 2 UA 74835 U Газочутливий сенсор, що заявляється, забезпечує керування функціональними властивостями ПК шляхом контрольованої зміни параметрів технологічного процесу, який відрізняється простотою, малою трудомісткістю й нульовими енерговитратами. 5 10 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Газочутливий сенсор, що містить поліровану пластину монокристалічного кремнію n-типу провідності, на тильній поверхні якої шляхом електролітичного травлення з фотошаблоном за умов освітлення утворені пористі шари кремнію, який відрізняється тим, що поверх пористих шарів кремнію на тильній стороні сформовано контактну наноструктуровану сітку з міді з розмірами до 600 нм і контакт з міді по торцю пористого кремнію, а на фронтальній стороні методом пульверизації утворено контакт In:Sn. Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3