Использование вольт-амперных характеристик тонких пленок SnO 2 для улучшения характеристик датчиков горючих и взрывоопасных газов

УДК 621.797

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОЛЬТ-АМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТОНКИХ ПЛЕНОК Бп02 ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ДАТЧИКОВ ГОРЮЧИХ И ВЗРЫВООПАСНЫХ ГАЗОВ

Д.В. Русских, Е.А. Русских, С.И. Рембеза, В.Е. Туев

В статье приведены результаты исследования вольт-амперных характеристик тестовых структур микроэлектронных датчиков газов на основе тонких пленок диоксида олова при различных температурах чувствительного слоя на воздухе и в парах этанола.

Ключевые слова: вольт-амперная характеристика, тестовая структура, датчик газов, диоксид олова, этанол.

Введение

В настоящее время проявляется большой интерес к полупроводниковым датчикам газа на основе диоксида олова. При их относительной дешевизне датчики имеют малые размеры и достаточно высокую чувствительность. Главным недостатком таких датчиков является необходимость нагрева до высоких температур порядка 500 оС при определении газовой чувствительности и десорбции газов, что ограничивает их использование для контроля горючих и взрывоопасных газов. Таким образом, снижение температуры максимальной газовой чувствительности микроэлектронных датчиков газов является актуальной проблемой.

Были попытки измерить газовую чувствительность с использованием вольт-амперных характеристик (ВАХ) [1,2] на тонких пленках, цель нашей работы исследовать температурные зависимости ВАХ тестовых структура микроэлектронных датчиков газов с платиновыми контактами.

Методика эксперимента

Измерения вольт-амперных характеристик (ВАХ) проводились на тестовых структурах микроэлектронных датчиков газов. Кристалл датчика размером 1^1x0,12 мм3 содержит платиновый тонкоплёночный нагреватель и контакты встречно-штырьевого типа на расстоянии 10 мкм друг от друга, на которые напылен газочувтвительный слой 8п02 (рис. 1) [3].

При исследовании ВАХ микроэлектронных датчиков газов для измерения электрических параметров и проведения высокотемпературного стабилизирующего отжига применялась установка, блок-схема которой изображена на рис. 2.

Русских Дмитрий Викторович - ФГБОУ ВПО «Воронежский институт ГПС МЧС России», кандидат технических наук, тел. +7-920-460-30-15;

Русских Елена Алексеевна - ГОУ ВПО ВГТУ, тел. (473) 243-76-95;

Рембеза Станислав Иванович - ГОУ ВПО ВГТУ, доктор физико-математических наук, профессор, тел. (473) 24376-95;

Туев Василий Евгеньевич - ФГБОУ ВПО «Воронежский институт ГПС МЧС России», тел. +7-920-442-05-23.

На подставке измерительного стенда размещается печатная плата с датчиком газов, при проведении исследований на неё ставится колпак для получения стационарных условий эксперимента.

Рис. 1. Топология кристалла тестовой структуры газового датчика: 1 - платиновый меандр нагревателя, 2 - встречно-штыревые электроды сенсорного элемента, 3 - газочувствительная пленка Бп02, 4 - контактные площадки

Рис. 2. Блок-схема установки для исследования вольт-амперных характеристик газовых датчиков: 1 - блоки питания; 2 - блок управления; 3 - измерительный стенд;

4 - амперметры; 5 - вольтметры; 6 - омметр

При длительном хранении на воздухе сопротивление чувствительного элемента датчика увеличивается. Чтобы вернуть датчик в рабочее состоя-

ние, необходимо провести его высокотемпературный стабилизационный и десорбционный отжиг [4]. Отжиг тестовых структур датчиков газов проводится при температуре, соответствующей рабочим режимам датчика 350 - 400 С, под колпаком на воздухе. Для того чтобы нагреть кристалл датчика до такой температуры, необходимо на нагревательный элемент в зависимости от его сопротивления подать напряжение 5 В. В процессе отжига контролировалось сопротивление чувствительных элементов датчиков и строились зависимости относительного сопротивления чувствительных элементов от времени. Относительное сопротивление - отноше-

ние текущего сопротивления чувствительного элемента или нагревателя датчика к сопротивлению, измеренному до отжига на воздухе при комнатной температуре. Критерием окончания процесса является стабилизация, т.е. постоянство величины сопротивления чувствительных элементов [5]. На рис. 3 представлены типичные зависимости относительного сопротивления тестовых структур от времени отжига. Из него видно, что для стабилизации электрических параметров чувствительных элементов вполне достаточно 30 - 40 мин, в дальнейшем это учитывалось при проведении экспериментов.

t, мин

Рис. 3. Типичные зависимости изменения электросопротивления тестовых структур при термостабилизации: 1 - первого чувствительного элемента; 2 - второго чувствительного элемента

Результаты и обсуждение

Исследования ВАХ проводились на воздухе и в парах этанола (1000 ppm, 2000 ppm и 4000 ppm) при восьми различных значениях температуры: комнатная температура, 75 оС, 100 оС, 125 оС, 150 оС, 175 оС, 200 оС, 225 оС.

На рис. 4 приведены типичные вольт-амперные характеристики чувствительного элемента на воздухе и в парах этанола (4000 ppm) при температуре 75 0С на нагревателе. При других концентрациях этанола (1000 ppm и 2000 ppm) кривые носят аналогичный характер и отличаются лишь величиной тока через чувствительный элемент.

U, В

Рис. 4. Вольт-амперная характеристика чувствительного элемента при T = 75 oC: 1 - на воздухе; 2 - в парах этанола

33

Из рис. 4 видна реакция чувствительного элемента на присутствие этанола в воздухе при температуре 75 0С. Такие же зависимости наблюдаются и для остальных концентраций во всем интервале исследуемых температур, однако при разных температурах степень чувствительности датчика к этанолу различна, причем наибольшие расхождения наблюдаются на всех графиках при 15 В. Для обобщения и анализа экспериментальных данных типичных зависимостей, таких же, как на рис. 4, а

также аналогичных данных, полученных при других концентрациях этанола в воздухе (1000 ppm и 2000 ppm), по формуле S = I^/I^ (где I^ - ток чувствительного элемента в присутствии газа, !чв - ток чувствительного элемента на воздухе), была рассчитана относительная газовая чувствительность для всех значений температур при 15 В, как результат были построены графики зависимости относительной газовой чувствительности от температуры (рис. 5).

— 4000 ppm; н-2000 ppm; —1000 ppm

% <€

Рис. 5. Зависимость относительной газовой чувствительности тестовых структур датчиков газов к этанолу от температуры при условии протекания тока через чувствительный элемент

Из рис. 5 видно, что для всех исследованных концентраций этанола в воздухе максимальная газовая чувствительность наблюдается в интервале от 150 до 200 оС, причем она возрастает с увеличением концентрации газа. Однако из литературы известно, что при обычных условиях температура максимальной газовой чувствительности тонкопленочных датчиков газов к этанолу около 400 оС [4], т.е. нам удалось сделать большой шаг на пути к

снижению температуры максимальной газовой чувствительности полупроводниковых датчиков газов с целью расширения рынка потребления, увеличения срока службы и использования их в экономичных, с точки зрения энергопотребления, портативных индикаторах газов. На рис. 6 приведена зависимость величины максимальной газовой чувствительности от концентрации этанола в воздухе.

я

S

я

S

ч

1000

10000

C, ppm

Рис. 6. Зависимость относительной газовой чувствительности тестовых структур датчиков газов от концентр ации этанола в воздухе при условии протекания тока через чувствительный элемент

Из рис. 6 видно, что величина чувствительности достаточна для использования датчика в устройствах сигнализации газов без дополнительных усиливающих схем. Также можно отметить, что зависимость относительной газовой чувствительности тестовых структур датчиков газов от концентрации этанола в воздухе при условии протекания тока через чувствительный элемент имеет довольно четкий угол наклона, что позволит использовать такие приборы в точных устройствах, способных определять малые концентрации газов в воздухе.

Выводы

Из проделанной работы можно сделать следующие выводы:

1) Вольт-амперные характеристики чувствительных элементов при различных температурах кристалла на воздухе и в присутствии паров этанола в воздухе имеют одинаковый характер и отличаются лишь величиной тока, протекающего через чувствительный элемент.

2) Максимальная газовая чувствительность наблюдается в интервале температур 150 - 200 оС, что в два раза меньше, чем без подачи напряжения на чувствительный элемент, причем она возрастает с увеличением концентрации этанола.

3) Зависимость газовой чувствительности тестовых структур от концентрации этанола в воздухе при условии протекания тока через чувствительный элемент имеет четкий угол наклона, что позволит использовать данный способ снижения температуры максимальной газовой чувствительности в

точных устройствах, способных определять малые концентрации газов в воздухе.

4) Для различных концентраций этанола в воздухе максимальная газовая чувствительность наблюдается в интервале от 150 - 200 0С.

5) Величина максимальной газовой чувствительности изменяется в пределах от 2,5 до 4,7 и является достаточной для использования датчика в устройствах сигнализации опасных газов без дополнительных усиливающих схем.

Литература

1. Вольт-амперные характеристики тонкопленочных газочувствительных структур на основе оксида олова / В.В. Симаков, О.В. Якушев, А.И. Гребенников, В.В. Кисин // Письма в ЖТФ. 2005. Том 31, Вып. 8. С. 52- 56.

2. Влияние температуры на вольт-амперные характеристики тонкопленочных газочувствительных стру ктур / В.В. Симаков, О.В. Якушев, А.И. Гребенников, В.В. Кисин // Письма в ЖТФ. 2006. Том 32. Вып. 2. С. 52- 58.

3. Рембеза С.И., Просвирин Д.Б., Викин О.Г. Викин Г.А., Буслов В.А., Куликов Д.Ю. Особенности конструкции и технологии изготовления тонкопленочных металлооксидных интегральных сенсоров газов // Сенсор. 2004. № 1(10). С. 20-28.

4. Figaro: датчики газов. М.: Издательский дом «Додэка - XXI», 2002. 64 с.

5. Высокотемпературный отжиг тестовых структур полупроводниковых датчиков газов / Д.В. Русских, С.И. Рембеза, В.А. Буслов, Д.Ю. Куликов // Актуальные проблемы физики твердого тела: сборник докладов Между-нар. науч. конф. Минск, 2007. Т. 2. С. 375 - 377.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Воронежский институт Государственной противопожарной службы МЧС России»

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Воронежский государственный технический университет»

APPLICATION OF VOLT-AMPERE CHARACTERISTICS OF THIN FILMS SnO2 FOR IMPROVEMENT OF CHARACTERISTICS OF COMBUSTIBLE AND EXPLOSIVE GASES SENSORS

D.V. Russkih, E.A. Russkih, S.I. Rembeza, V.E. Tuev

In the article research results ofvolt-ampere characteristics of microelectronic gas sensors test structures based on stannic oxide thin films are represented at various sensitive layer temperatures on air and in ethanol vapors.

Key words: volt-ampere characteristic, test structure, gas sensor, stannic oxide, ethanol.