АДСОРБЦИОННО-РЕЗИСТИВНЫЙ ГАЗОВЫЙ СЕНСОР

Полезная модель относится к электронике, микроэлектронике, сенсорике и может найти широкое применение в системах мониторинга состава окружающей среды.
2
3
Известен комбинированный термокондуктометрический и термокаталитический сенсор водорода на основе термоэлектрического преобразования[1]. Сенсор выполнен на диэлектрической подложке анодного AlO со сквозной перфорацией. Основным конструкционным элементом сенсора являются два термоэлектрических пленочных преобразователя, состоящие из последовательно соединенных пленочных термопар на одной стороне подложки и пленочного нагревателя - на другой. Один из термоэлектрических преобразователей выполнен из материала, который является катализатором окисления водорода. Материал второго преобразователя термокаталитическими свойствами по отношению к водороду не обладает. Пленочные элементы соединены проводящими дорожками с соответствующими контактными площадками. Измерение концентрации водорода осуществляется путем контроля температуры термокаталитического нагрева и термокондуктометрического охлаждения по значениям термо-ЭДС. Термокондуктометрический сенсор измеряет концентрацию водорода по изменению термо-ЭДС вследствие различий в теплопроводности чистого воздуха и водорода в области от 3,5 до 100% об. Термокаталитический сенсор детектирует водород благодаря изменению температуры спаев термопар вследствие каталитического окисления на одном из термоэлектрических преобразователей и пригоден для измерения в области концентраций от 0 до 3,5% об. Сенсор на основе термоэлектрического преобразования способен детектировать в диапазоне малых концентраций только горючие газы.
Комбинированный термокондуктометрический и термокаталитический сенсор на основе термоэлектрического преобразования имеет ограниченные функциональные возможности.
Известен адсорбционно-резистивный газовый сенсор на основе оксидов переходных металлов [2]. Адсорбционно-резистивный газовый сенсор выполнен на диэлектрической подложке с отделенными от нее сквозной перфорацией двумя рабочими областями с одинаковыми параметрами чувствительного слоя и разными параметрами нагревательных элементов. Системы информационных электродов сформированы на одной из сторон подложки в обеих рабочих областях и соединены токопроводящими дорожками с контактными площадками на границе подложки независимо друг от друга. На обратной стороне подложки сформированы два нагревательных элемента с разной толщиной пленки меандра, соединенные последовательно между собой и контактными площадками посредством токопроводящих дорожек.
Адсорбционно-резистивный газовый сенсор имеет ограниченные функциональные возможности.
Технической задачей полезной модели является расширение функциональных возможностей адсорбционно-резистивного газового сенсора на основе оксидов металлов за счет использования обеих поверхностей диэлектрической подложки и введения дополнительных тонких диэлектрических слоев из материала, идентичного по составу материалу диэлектрической подложки, для увеличения количества селективно детектируемых газов.
Решение поставленной задачи достигается тем, что адсорбционно-резистивный газовый сенсор, содержащий диэлектрическую подложку с двумя рабочими областями, которые отделены от диэлектрической подложки сквозной перфорацией и соединены с ней парой перемычек по углам одной из сторон, в первой и второй рабочих областях на одной из сторон диэлектрической подложки сформированы первый и второй нагреватели, тонкопленочные встречно-штыревые системы информационных электродов и, нанесенные поверх нихпленки чувствительного материала, изолированные от первого и второго нагревателей диэлектрической пленкой,на обратной стороне диэлектрической подложки в первой и второй рабочих областях сформированы третий и четвертый нагреватели, тонкопленочные встречно-штыревые системы информационных электродов, нанесенные поверх них пленки чувствительного материала, изолированные от третьего и четвертого нагревателей диэлектрической пленкой,на обеих поверхностях диэлектрической подложки также сформированы контактные площадки системы информационных электродов и нагревательных элементов, связанные токопроводящими дорожками с соответствующими элементами первой и второй рабочих областей, контактные площадки нагревательных элементов на обеих поверхностях диэлектрической подложки соединены параллельно через отверстия в диэлектрической подложке, причем диэлектрические пленки выполнены из того же материала, что и диэлектрическая подложка, а их толщины составляют от 80 до 100 нм.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1-3.
На фиг. 1 представлен вид на разрез адсорбционно-резистивного газового сенсора по диэлектрической подложке в зоне сквозных перфораций:
1 - первая рабочая область;
2 - вторая рабочая область;
3 - диэлектрическая подложка;
4 - сквозная перфорация;
5 - встречно-штыревая системаинформационных электродов;
6 - пленка чувствительного материала;
8 - контактная площадка нагревательных элементов;
9 - токопроводящие дорожки,
10 - первый нагреватель;
11 - второй нагреватель;
12 - третий нагреватель;
13 - четвертый нагреватель;
14 -диэлектрическая пленка,
15 - отверстие.
На фиг. 2 представлен вид на адсорбционно-резистивный газовый сенсор со стороны пленок чувствительных элементов:
7 - контактная площадка системы информационных электродов.
На фиг. 3 представлен вид на адсорбционно-резистивный газовый сенсор через диэлектрическую подложку 3 со стороны первого 1 и второго 2 нагревателей.
Адсорбционно-резистивный газовый сенсор содержит диэлектрическую подложку 3, в которой с помощью сквозной перфорации 4 сформированы в виде консоли первая 1 и вторая 2 рабочие области, соединенные с диэлектрической подложкой 3 парой перемычек (позиция не указана), по углам одной из сторон первой 1 и второй 2 рабочих областей. В первой 1 и второй 2 рабочих областях на одной из сторон диэлектрической подложки 3 сформированы первый 10 и второй 11 нагреватели, тонкопленочные встречно-штыревые системы информационных электродов 5 и, нанесенные поверх них пленки чувствительного материала 6, изолированные от первого 10 и второго 11 нагревателей диэлектрической пленкой 14. На обратной стороне диэлектрической подложки 3 в первой 1 и второй 2 рабочих областях сформированы третий 12 и четвертый 13 нагреватели, тонкопленочные встречно-штыревые системы информационных электродов 5, нанесенные поверх них пленки чувствительного материала 6, изолированные от третьего 12 и четвертого 13 нагревателей диэлектрической пленкой 14. На обеих поверхностях диэлектрической подложки 3 также сформированы контактные площадки системы информационных электродов 7 и нагревательных элементов 8, связанные токопроводящими дорожками 9 с соответствующими элементами первой 1 и второй 2 рабочих областей. Контактные площадки нагревательных элементов 8 на обеих поверхностях диэлектрической подложки 3 соединены параллельно через отверстия 15 в диэлектрической подложке 3.
2
3
Диэлектрическая подложка 3 выполнена из γ-модификации анодного оксида алюминия, обладающей высокими электрическими и механическими свойствами, а ее пористая структура позволяет путем травления создавать сквозные отверстия произвольной формы с микронной точностью [1]. Токопроводящие тонкопленочные элементы сформированы вакуумным напылением. Тонкие пленки чувствительного материала 6 получены путем термического окисления пленок металла, предварительно нанесенных вакуумным напылением. Изолирующие тонкие диэлектрические пленки 14 выполнены методом атомно-слоевого осаждения (ALD)из AlO, который имеет коэффициент термического расширения аналогичный γ-модификации анодного оксида алюминия. Нижний предел толщины таких пленок в 80 нм определяется необходимостью перекрытия пор диаметром 40-50 нм в диэлектрической подложке 3. Верхний предел толщины таких пленок в 100 нм ограничен возможностями метода атомно-слоевого осаждения.
1
2
Нагрев рабочих областей осуществляется с помощью встроенных первого 10, второго 11, третьего 12 и четвертого 13 нагревателей. Задание параметров попарно первого10 и третьего 12, второго 11и четвертого 13 нагревателей осуществляется путем варьирования толщины пленки. Входные данные расчета толщины пленки h попарно первого 10 и третьего 12, второго 11 и четвертого 13 нагревателей для рабочих температур T и T чувствительных элементов, подбираются на основе предварительных исследований температурных и концентрационных зависимостей S = f(C,Т) газовой чувствительности полупроводниковых слоев, исходя из необходимости селективного детектирования четырех газов, отличающихся как рабочими температурами, так и химическим составом пленок чувствительных материалов.
При рабочих температурах в пределах от 200 до 550 С толщина пленки нагревательного элемента варьируется в пределах от 0,15 до 0,5мкм.
1атм
2атм
3атм
4атм
По достижению заданных рабочих температур проводится серия измерений значений электрического сопротивления R, R, R и R тонких пленок чувствительного материала 6 первой 1 и второй 2 рабочих областей в чистом воздухе с помощью внешней измерительной схемы и встречно-штыревойсистемы информационных электродов 5. После стабилизации значений электрического сопротивления при определенной рабочей температуре, полученные результаты составляют базовые зависимости (опорный сигнал) сенсора.
1атм
2атм
3атм
4атм
1
2
3
4
см
атм
Под воздействием анализируемой смеси газов происходит изменение электрического сопротивления пленки чувствительного материала 6 вследствие адсорбции молекул газов ее поверхностью. По истечению времени отклика сопротивления R, R, R и Rпленок чувствительного материала 6 в первой 1 и второй 2 рабочих областях достигают стабильных значений. Аналитические сигналы S, S, Sи S от пленок чувствительных элементов 6 определяются как отношение их сопротивления в газовой смеси к базовой зависимости S = R/R. С помощью концентрационных и температурных зависимостей чувствительности S = f(C,T) адсорбционно-резистивного газового сенсора и данных измерений определяются концентрации детектируемых газов в анализируемой смеси.
В результате использование четырех чувствительных элементов с отличающимися химическим составом и рабочими температурами позволяет одновременно детектировать до 4-х газов в смеси, тем самым повысив функциональные возможности адсорбционно-резистивного газового сенсора.
Источники информации
1. Григоришин И.Л. Комбинированный термокаталитический и термокондуктометрический сенсор водорода на термоэлектрическом преобразовании / И.Л. Григоришин, Л.Г. Полевская, О.Н. Куданович // Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления «Датчик 2000»: материалы 12-ой Международ. науч.-тех. конф., Гурзуф, Украина, май 2000 г. / отв. ред. В.Н. Азаров. - М.: МГИЭМ, 2000. - С. 139-141.
2. Патент BY №10166.
3. Мухуров Н.И. Устройства микромеханики и микросенсорики на нанопористом анодном оксиде алюминия: монография / Н.И. Мухуров, Г.И. Ефремов, О.Н. Куданович. - Минск: Бестпринт, 2005. - 111 с.