ГАЗОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ДАТЧИК

Полезная модель относится к области микроэлектроники, а именно к устройствам анализа токсичных и взрывоопасных газов в воздухе с применением тонкопленочных датчиков газов, в частности, в виде полевых транзисторов с металлооксидным каналом.
Известны конструкции полевых транзисторов с открытым металлоксидным каналом и затвором, расположенным снизу под каналом, используемые в прозрачной электронике [1, 2]. Экспериментально установлено, что состав газовой среды оказывает влияние на величину порогового напряжения этих транзисторов. Этот эффект предлагается использовать в новой конструкции датчика газов, работающего при комнатной температуре.
Однако, учитывая физико-химический механизм взаимодействия ионов различных газов с поверхностью металлоксидного канала, следует ожидать насыщение процесса адсорбции поверхностных состояний металлооксида и ухудшение метрологических параметров датчика газов при многократных измерениях. Этот недостаток предлагается устранить с помощью тепловой десорбции молекул контролируемых газов с поверхности газочувствительной металлооксидной пленки [3].
Известна конструкция полевого транзистора, использующего оксидную пленку для передачи информации [4] с затвором, расположенным снизу по отношению к открытому для воздействия атмосферы каналу. Наиболее близким техническим решением к предлагаемой конструкции является газочувствительный датчик [5] на основе полевого транзистора, расположенного на диэлектрическом слое, сформированном на поверхности монокристаллического кремния. Затвор полевого транзистора выполнен из каталитически активного материала и снабжен двумя контактами для обеспечения его электрического нагрева до температуры разложения газов метановой группы. Области стока, истока и канала выполнены из силицида железа. Датчик со держит дополнительные нагреватели из материала, являющегося катализатором разложения газов метановой группы.
Известные конструкции-аналоги обладают следующими недостатками:
1. Малой площадью взаимодействия металлооксидного канала с контролируемым газом в окружающей среде, что снижает порог чувствительности датчика.
2. Необходимостью использования дополнительных нагревателей датчика для десорбции газов с поверхности канала после завершения этапа измерений, и, соответственно, дополнительным расходом электроэнергии.
В полезной модели ставятся задачи улучшения потребительских свойств и метрологических характеристик, повышения газовой чувствительности датчика на основе полевого транзистора с металлооксидным каналом и нижним расположением затвора, уменьшения энергопотребления и повышения селективности датчика к различным газам. Это достигается увеличением длины канала, за счет встречно-штыревой конструкции контактов истока и стока, а также тем, что электрод затвора изготавливается в виде меандра соответствующих размеров с контролируемым сопротивлением. Форма меандра повторяет форму канала между истоком и стоком полевого транзистора. Затвор - нагреватель отделен от канала, истока и стока диэлектриком.
2
2
Для использования полевого транзистора в качестве датчика газа необходимо увеличить площадь взаимодействующего с воздухом металлооксидного канала, например, за счет увеличения отношения длины канала к его ширине. Канал транзистора в полезной модели предлагается изготавливать из газочувствительного металлооксидного или другого полупроводника (SnO, ZnO, SiC, SnO+ZnO и др.) в виде меандра с отношением длины (L) к ширине (W) в пределах от 10 до 100, ширина канала составляет около 10 мкм.
Области истока и стока изготавливаются в виде тонкой пленки методом магнетронного распыления металлов и фотолитографии.
2
3
4
2
3
2
2
2
Сущность полезной модели поясняется на Фиг. 1, 2, где схематично показан полевой транзистор с нижним расположением затвора и каналом из металлоксидного газочувствительного полупроводника. На изолирующую подложку 1 (керамика, стекло, окисленный кремний и др.) напылен металлический затвор (Pt, Ni-Cr и др) в виде меандра 2, сформированный фотолитографией, с рассчитанным номиналом сопротивления для использования в качестве нагревателя. Сверху затвора наносится диэлектрик (SiO, SiN, АlO, ТiO и др.) 3 определенной толщины. Над областью затворного диэлектрика напыляется тонкая пленка газочувствительного металлооксидного полупроводника (SnO, ZnO, SnO+ZnO и др.) 4 и методом взрывной фотолитографии формируется канал, повторяющий форму затвора. Затем на диэлектрик и ме-таллооксидный канал наносится слой металла (Pt, Ni-Cr и др.) и фотолитографией изготавливаются контакты истока и стока в виде встречно-штыревой структуры 5 и 6.
2
3
2
2
Устройство работает следующим образом. При помещении полевого транзистора с металлооксидным каналом в контролируемую газовую среду адсорбированные молекулы газа изменяют величину сопротивления канала пропорционально концентрации газа в воздухе, что приводит к изменению величины порогового напряжения транзистора. Газовую чувствительность можно контролировать либо по изменению сопротивления канала, либо по величине сдвига порогового напряжения. В процессе измерения газовой чувствительности на электрод затвора 2 можно подавать электрическое смещение определенного знака, позволяющее раздельно контролировать наличие газов-окислителей (O, O и др.) или газов-восстановителей (Н, СО, НO и др.) в воздухе по величине сдвига порогового напряжения. После окончания процесса измерения газовой чувствительности на оба контакта затвора подается разность потенциалов, что приводит к нагреванию меандра затвора до температуры, достаточной для полной десорбции контролируемого газа с поверхности металлоксидного канала. Завершение процесса десорбции характеризуется стабилизацией сопротивления канала транзистора. Температура кристалла может контролироваться с высокой точностью по величине сопротивления нагревателя. После остывания кристалла датчик готов к повторным измерениям концентрации газов.
Предлагаемая полезная модель отличается простотой и не требует изготовления дополнительного нагревателя для процесса десорбции газов и обеспечивает многократное использование полевого транзистора в качестве датчика газов.
Эксперименты на опытных образцах показали, что приложение разности потенциалов порядка 5 В на нагреватель (затвор) датчика, имеющего сопротивление 20-25 Ом, достаточно для полной десорбции молекул контролируемых газов с поверхности газочувствительной пленки канала датчика газа.
Источники информации, принятые во внимание.
1 Jeong J.K., Yang H.W., Jeong J.H., Mo Y.-G., Kim H.D. / Origin of threshold voltage instability in indium-gallium-zinc oxide thin film transistors., Appl. Phys. Let., 93, 123508 (2008).
2. Liu P.-T., Chou Υ.-Τ., Teng L.-F. / Environment-dependent metastability of passivation-free indium zinc oxide thin film transistor after gate bias stress., Appl. Phys. Let., 95, 233504 (2009).
3. Виглеб Г., Датчики., пер. с нем. - М. Мир, 1989, 196 с.
4. Ивасаки Т., Кумоми X., Полевой транзистор, использующий оксидную пленку для передачи информации, и способ его изготовления. - Патент RU 2400865 С2. - Патент 2008/4/166/28. 2007 г.
5. Такеши С, Мурашев В., Карпов Е., Мордкович В., Горнев Е., Красников Г., Газочувствительный датчик. - Патент RU 21966981 С2. - Патент 2000128807/28. 2000 г.