КЕРАМИЧЕСКИЙ КОРПУС ДЛЯ ГАЗОЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО СЕНСОРА

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к конструкции газовых сенсоров, в частности полупроводниковых газовых сенсоров и может найти широкое применение в измерительной технике, и может найти широкое применение в измерительной технике, предназначенной для определения типов различных газов и их количественного содержания в воздухе.
Уровень техники
Из существующего уровня техники известно устройство [1], представляющее собой корпус для молекулярно-электронного датчика, состоящий из внутренней части и охватывающей ее внешней части, изготовленной методом пластмассового литья под давлением и заключающий в себе преобразующий элемент с выводными контактами. Недостатком устройства является необходимость обеспечения защиты неподвижно зафиксированного во внутренней части преобразующего элемента с выводными контактами от проникновения расплавленной пластмассы при отливке внешней части корпуса, что требует специальных мер. Особенно это сложно осуществить в случае использования подобного корпуса для газовых сенсоров, когда необходим
Известен полупроводниковый газовый сенсор [2], в котором шарообразный полупроводниковый газочувствительный элемент (пеллистор), внутри которого размещен нагреватель в виде цилиндрический пружины, установлен на контактных проводниках в центре никель-кобальтового транзисторного корпуса типа ТО-5. Недостатком этого устройства являются является недостаточная механическая прочность газочувствительного элемента, что также уменьшает долговременную стабильность, быстродействие и устойчивость к воздействию внешний факторов, а также довольно большие его размеры.
2
3
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению устройством, принятым за прототип, является полупроводниковый газовый сенсор [3], в котором используется миниатюрный керамический корпус подобный SOT 23, состоящий из нижней и верхней частей, внутри которого размещена диэлектрическая подложка, сделанная из того же материала, что и корпус - AlO, в которой с помощью сквозной перфорации сформирована рабочая область, на одной из ее сторон расположен газочувствительный элемент, на другой - тонкопленочный нагревательный элемент, связанные платиновыми токопроводящими дорожками с соответствующими контактными площадками, сформированными на диэлектрической подложке. Диэлектрическая подложка с газочувствительным датчиком размещается в керамическом корпусе с помощью направляющих выступов и пазов, сделанных внутри нижней и верхней частей корпуса. Нижняя часть керамического корпуса имеет четыре наклонных выступа, направленные вовне и расположенные по два на противоположных продольных стенках перпендикулярно последним. Кроме того, в этих стенках сделано по два паза, расположение и ширина которых соответствует положению и ширине наклонных выступов и положению контактных площадок на соответствующих сторонах диэлектрической подложки. На эти пазы, как и на верхнюю поверхность внешних наклонных выступов, нанесена пленочная платиновая металлизация. После размещения диэлектрической подложки с рабочей областью в вертикальном положении в нижней части корпуса с помощью платиновой пасты и последующей термической обработки обеспечивается фиксация положения диэлектрической подложки, а также реализуются контакты чувствительного и нагревательного элементов сенсора с соответствующими внешними выводами керамического корпуса.
Недостатком прототипа, учитывая миниатюрность изделия - его размеры по всем измерениям не превышают нескольких миллиметров, - является сложность технологических операций совмещения и фиксации положения верхней и нижней частей керамического корпуса при сборке устройства.
Технический результат заявляемой полезной модели направлен на упрощение технологии изготовления и повышении надежности корпусированных полупроводниковых газочувствительных сенсоров.
Раскрытие сущности полезной модели
Технический результат достигается тем, что керамический корпус для газочувствительного полупроводникового сенсора, состоящий из нижней части и верхней части для размещения диэлектрической подложки с рабочей областью, отделенной от диэлектрической подложки сквозной перфорацией, в которой на одной из сторон сформированы платиновые информационные контактные площадки, связанные информационными токопроводящими дорожками с нанесенной в рабочей области пленкой газочувствительного материала, на обратной стороне диэлектрической подложки в рабочей области сформирован тонкопленочный нагревательный элемент, связанный токопроводящими дорожками нагревательного элемента с контактными площадками нагревательного элемента, причем нижняя часть корпуса имеет четыре наклонных выступа, направленные вовне и расположенные по два на противоположных продольных стенках нижней части корпуса перпендикулярно последним, а также по два паза в каждой из продольных стенок, при этом положение пазов в продольных стенках соответствует положению наклонных направленных вовне выступов в этих стенках, а ширина пазов в равна ширине соответствующих наклонных выступов, направленных вовне, плоская нижняя поверхность пазов в левой и правой продольных стенках нижней части корпуса находится на одном уровне с верхней кромкой внешних наклонных выступов, примыкающих к продольным стенкам нижней части корпуса соответственно, на верхнюю поверхность внешних наклонных выступов и на плоскую нижнюю плоскую поверхность пазов в продольных стенках нанесена платиновая металлизация для обеспечения электрического контакта с контактными площадками, расположенными на диэлектрической подложке газового сенсора, внутри нижней части керамического корпуса имеются направляющие выступы вдоль продольных стенок для размещения в ней диэлектрической подложки с рабочей областью, в верхней части корпуса сделаны сквозные отверстия для доступа воздуха во внутреннюю полость корпуса газового сенсора, характеризуется тем, что в нижней части корпуса имеется два дополнительных паза, расположенных по центральной оси в противоположных поперечных стенках, имеющих одинаковую высоту с продольными стенками нижней части корпуса, глубина дополнительных пазов меньше глубины пазов в продольных стенках нижней части корпуса на 100±30 мкм, в верхней части керамического корпуса газового сенсора сделаны два направленных вовне горизонтальных выступа, положение которых совпадает с расположением дополнительных пазов нижней части корпуса, ширина горизонтальных выступов верхней части корпуса равна ширине дополнительных пазов нижней части корпуса, а длина - толщине поперечных стенок нижней части корпуса, при этом длина верхней части корпуса без учета горизонтальных выступов равна расстоянию между внутренними вертикальными поверхностями поперечных стенок нижней части керамического корпуса, а ширина верхней части корпуса равна расстоянию между внутренними вертикальными поверхностями продольных стенок нижней части корпуса, толщина верхней части керамического корпуса равна глубине дополнительных пазов в поперечных стенках нижней части корпуса, кроме того в верхней части керамического корпуса сделан по ее центральной оси паз, вертикальный размер и ширина которого достаточны для размещения внутри корпуса диэлектрической подложки с рабочей областью.
Ниже приведен пример конкретной реализации устройства. Он поясняется чертежами, приведенными на фиг. 1-10.
На фиг. 1 представлен вид сверху на нижнюю часть керамического корпуса.
На фиг. 2 представлен поперечный разрез нижней части корпуса газового сенсора.
На фиг. 3 представлен вид сбоку на нижнюю часть корпуса газового сенсора.
На рис. 4 представлен вид сверху на верхнюю часть корпуса газового сенсора.
На фиг. 5 представлен разрез верхней части корпуса газового сенсора.
На фиг. 6 представлен вид на диэлектрическую подложку с рабочей областью со стороны чувствительного элемента
На фиг. 7 представлен вид на диэлектрическую подложку с рабочей областью со стороны нагревателя.
На фиг. 8 показано размещение диэлектрической подложки в нижней части корпуса газового сенсора.
На фиг. 9 представлен вид сверху на керамический корпус после сборки.
На фиг. 10 представлен разрез полупроводникового газового сенсора в сборе.
Позициями на чертежах обозначены:
1 - нижняя часть корпуса;
2 - верхняя часть корпуса;
3 - продольные стенки в нижней части корпуса;
4 - направляющие выступы вдоль продольных стенок в нижней части корпуса;
5 - внешние наклонные выступы продольных стенок нижней части корпуса;
6 - пазы в продольных стенках нижней части корпуса;
7 - платиновая металлизация на верхних поверхностях внешних наклонных выступов и нижних плоских поверхностях пазов в продольных стенках нижней части корпуса;
8 - поперечные стенки в нижней части корпуса;
9 - дополнительные пазы в поперечных стенках нижней части корпуса;
10 - горизонтальные выступы в верхней части корпуса;
11 - паз в верхней части корпуса;
12 - отверстия в верхней части корпуса;
13 - диэлектрическая подложка;
14 - рабочая область;
15 - информационные контактные площадки;
16 - информационные токопроводящие дорожки;
17 - пленка газочувствительного материала (чувствительный элемент);
18 - тонкопленочный нагревательный элемент;
19 - токопроводящие дорожки нагревательного элемента;
20 - контактные площадки нагревательного элемента.
Керамический корпус состоит из нижней части корпуса 1 и верхней части корпуса 2, внутри нижней части корпуса 1 вдоль продольных стенок 3 расположены направляющие выступы 4. Нижняя часть корпуса 1 имеет четыре наклонных выступа 5, направленные вовне и расположенные по два на противоположных продольных стенках 3 перпендикулярно последним, а также по два паза 6 в каждой из продольных стенок 3, при этом положение пазов 6 в продольных стенках 3 соответствует положению наклонных выступов 5, примыкающих к соответствующим продольным стенкам 3, а ширина пазов 6 равна ширине соответствующих наклонных выступов 5 Нижняя плоская поверхность пазов 6 находится на одном уровне с верхней кромкой наклонных выступов 5 и верхней плоской поверхностью внутренних направляющих выступов 4. На верхнюю поверхность внешних наклонных выступов 5 и на плоскую нижнюю плоскую поверхность пазов 6 в продольных стенках 3 нанесена платиновая металлизация 7. В нижней части корпуса 1 в противоположных поперечных стенках 8, высота которых равна высоте продольных стенок 3, имеются два дополнительных паза 9, расположенных по центральной оси нижней части корпуса 1, причем глубина дополнительных пазов 9 меньше глубины пазов 6 в продольных стенках 3 нижней части корпуса 1 на 100±30 мкм. В верхней части керамического корпуса 2 газового сенсора сделаны два направленных вовне горизонтальных выступа 10, положение которых совпадает с расположением дополнительных пазов 9 в поперечных стенках 8 нижней части корпуса 1, ширина горизонтальных выступов 10 верхней части корпуса 2 равна ширине дополнительных пазов 9 в поперечных стенках 8 нижней части корпуса 1, а длина - толщине поперечных стенок 8 нижней части корпуса 1. При этом длина верхней части корпуса 2 без учета горизонтальных выступов 10 равна расстоянию между внутренними вертикальными поверхностями поперечных стенок 8 нижней части керамического корпуса 1, а ширина верхней части корпуса 2 равна расстоянию между внутренними вертикальными поверхностями продольных стенок 3 нижней части корпуса 1, толщина верхней части керамического корпуса 2 равна глубине дополнительных пазов 9 в поперечных стенках 8 нижней части корпуса 1. В верхней части керамического корпуса 2 по ее центральной оси имеется паз 11, а также сделаны сквозные отверстия 12 для доступа воздуха во внутреннюю полость корпуса газового сенсора. Вертикальный размер и ширина паза 11 достаточны для размещения внутри корпуса диэлектрической подложки 13 с рабочей областью 14, на одной из сторон диэлектрической подложки 13 расположены информационные контактные площадки 15, связанные информационными токопроводящими дорожками 16 с пленкой газочувствительного материала 17 (чувствительным элементом), расположенной в рабочей области 14. На другой стороне рабочей области 14 размещен тонкопленочный нагревательный элемент 18, подключенный с помощью токопроводящих дорожек 19 с контактными площадками 20 нагревательного элемента 18 пленка газочувствительного материала 17 (чувствительный элемент)рабочей области 14 расположена пленка газочувствительного материала 17 (чувствительный элемент), информационные токопроводящие дорожки 16, соединяющие пленку газочувствительного материала 17 с информационными контактными площадками 15. На другой стороне рабочей области 14 размещен тонкопленочный нагревательный элемент 18, связанный токопроводящими дорожками 19 с контактными площадками 20 нагревательного элемента 18.
Керамический корпус, состоящий из нижней части корпуса 1 и верхней части корпуса 2, изготовленных с помощью прецизионной лазерной обработки из диэлектрических подложек толщиной не менее 0,5 мм из керамики с высокой теплопроводностью и механической прочностью и отличными диэлектрическими свойствами, предназначен для размещения элементарного полупроводникового газового датчика, который представляет собой диэлектрическую подложку 13 со сформированными на ней элементами. Для размещения диэлектрической подложки 13 со сформированными на ней элементами в нижней части корпуса 1 служат направляющие выступы 4, расположенные вдоль ее продольных стенок 3 (фиг. 1-2). Нижняя часть корпуса 1 имеет четыре наклонныхвыступа 5, направленные вовне и расположенные по два на противоположных продольных стенках 3 перпендикулярно последним, а также по два паза 6 в каждой из продольных стенок 3, при этом положение пазов 6 в продольных стенках 3 соответствует положению наклонных выступов 5, примыкающих к соответствующим продольным стенкам 3, а ширина пазов 6 равна ширине соответствующих наклонных выступов 5 (фиг. 2-3). В нижней части корпуса 1 имеются два дополнительных 9 паза, расположенных по центральной оси в противополоижных поперечных 8 стенках (фиг. 1). Продольные стенки нижней части 3 и поперечные стенки 8 нижней части корпуса 1 имеют одинаковую высоту, а глубина дополнительных пазов 9 в поперечных стенках 8 меньше глубины пазов 6 в продольных стенках 3 нижней части корпуса 1 на 100±30 мкм. Нижняя плоская поверхность пазов 6 находится на одном уровне с верхней кромкой наклонных выступов 5 и с верхней плоской поверхностью внутренних направляющих выступов 4. Продольные стенки нижней части 3 и поперечные стенки 8 нижней части корпуса 1 имеют одинаковую высоту, а глубина дополнительных пазов 9 в поперечных стенках 8 меньше глубины пазов 6 в продольных стенках 3 нижней части корпуса 1 на 100±30 мкм (фиг. 3). Нижняя плоская поверхность пазов 6 находится на одном уровне с верхней кромкой наклонных выступов 5 и с верхней плоской поверхностью внутренних направляющих выступов 4 (фиг. 2). На верхнюю поверхность внешних наклонных выступов 5 и на плоскую нижнюю плоскую поверхность пазов 6 в продольных стенках 3 нанесена платиновая металлизация 7. Металлизация на наклонные выступы 5 наносится для последующей фиксации корпуса газового сенсора на печатной плате, а металлизация на нижней плоской поверхности пазов 6 в продольных стенках 3 нижней части корпуса 1 предназначена для обеспечения электрического контакта с информационными контактными площадками 15 (фиг. 6) и контактными площадками 20 нагревательного элемента 18 (фиг. 7), расположенными на диэлектрической подложке 13, после размещения последней в нижней части корпуса 1. Диэлектрическая подложка 13 толщиной ~60 мкм размещена в нижней части корпуса 1 между направляющими выступами 4, при этом верхние плоские поверхности внутренних направляющих выступов 4, граничащие с соответствующими пазами 6 в продольных стенках 3 нижней части корпуса 1, примыкают к соответствующим контактным площадкам чувствительного элемента 17 и нагревательного элемента 18 (фиг. 8). В верхней части керамического корпуса 2 сделаны два направленных вовне горизонтальных выступа 10 (фиг. 4), положение которых совпадает с расположением дополнительных пазов 9 в поперечных 8 стенках нижней части корпуса 1, как совпадает и ширина горизонтальных выступов 10 и дополнительных пазов 9 нижней части корпуса 1. При сборке устройства на нижнюю плоскую поверхность каждого из пазов 6 в продольных стенках 3 нижней части корпуса 1 и примыкающий к ней участок соответствующего направляющего выступа 4 нанесена микрокапля платиновой пасты. Длина горизонтальных выступов 10 верхней части корпуса 2 равна толщине поперечных стенок 8 нижней части корпуса 1. Длина верхней части корпуса 2 без учета горизонтальных выступов 10 равна расстоянию между внутренними вертикальными поверхностями поперечных стенок 8 нижней части керамического корпуса 1, а ширина верхней части корпуса 2 равна расстоянию между внутренними вертикальными поверхностями продольных стенок 3 нижней части корпуса 1. Толщина верхней части корпуса 2 равна глубине дополнительных пазов 9 в поперечных стенках 8 нижней части корпуса 1 (фиг. 9). В верхней части керамического корпуса 2 по ее центральной оси имеется паз 11, вертикальный размер и ширина которого достаточны для размещения внутри корпуса диэлектрической подложки 13 с рабочей областью 14 (фиг. 10), а также сделаны сквозные отверстия 12 для доступа воздуха во внутреннюю полость корпуса полупроводникового газового сенсора (фиг. 4-5). При этом верхняя часть корпуса 2 при сборке оказывается внутри нижней 1 части корпуса. Благодаря высокой точности изготовления конструктивных элементов корпуса, (обеспечиваемой лазерной микрофрезеровкой), с помощью горизонтальных выступов 10 в верхней части корпуса 2 и дополнительных пазов 9 в поперечных стенках 8 нижней части корпуса 1 совмещение верхней части 2 и нижней части корпуса 1 осуществляется существенно проще и надежнее, чем в прототипе. При этом верхняя часть корпуса 2 оказывается внутри нижней части корпуса 1, что при микронной точности размеров обеспечивает дополнительную возможность надежной фиксации верхней части корпуса 2 за счет упругой реакции стенок нижней части корпуса 1, характерная для керамики, полученной при высокоскоростном спекании.
Таким образом заявляемое устройств позволяет существенно упростить по сравнению с прототипом технологию сборки газочувствительных полупроводниковых сенсоров, а также при размещении верхней части корпуса внутри ее нижней части повысить надежность устройства.
Список литературных источников
1. Патент на полезную модель 179 274, Российская Федерация, МПК G12B 9/02, Корпус молекулярно-электронного датчика, изготовленный методом литья под давлением / Авторы: Агафонов В.М, Авдюхина С.Ю., Демидов С.А. // Заявка: 2018104429 от 06.02.2018 опубл. 07.05.2016, Бюл. №13.
2. Патент на изобретение 2509303, Российская Федерация, МПК G01N 27/14. Полупроводниковый газовый сенсор / Сердюк И.В., Смирнов М.С. Заявл. 10.03.2012, опубл. 10.03.2014, Бюл. №7.
3. Патент РФ на полезную модель 192938, Российская Федерация, МПК G01N 27/14. Газовый сенсор / Авторы: Облов К.Ю., Самотаев Н.Н., Этрекова М.О., Онищенко Е.М. // Заявка: 2019120319 от 28.06.2019, опубл. 08.10.2019. Бюл. №28.