способ изготовления полупроводникового чувствительного элемента

Формула изобретения

Способ изготовления полупроводникового чувствительного элемента, заключающийся в последовательном нанесении на диэлектрическую термостойкую подложку тонкого полупроводникового слоя и слоя металла-катализатора, отличающийся тем, что на поверхность слоя металла-катализатора наносят диэлектрический слой, выполненный из материала, проницаемого только для измеряемой компоненты.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области аналитического приборостроения и может быть использовано в тех областях науки и техники, где необходим анализ газовых и жидких сред.

Известен способ анализа газовых смесей с помощью полупроводниковых сенсоров, основанный на изменении электрической проводимости чувствительного слоя при взаимодействии его с исследуемой средой [1] Чувствительный слой представляет собой тонкую полупроводниковую пленку SnO₂, ZnO, NiO, TiO₂ и т. д. нанесенную на диэлектрическую термостойкую подложку с металлическими электродами для измерения его электропроводности. Недостатком таких сенсоров является не во всех случаях достаточная чувствительность, отсутствие селективности, высокая рабочая температура, составляющая, как правило, 550-600 K и более, что приводит к быстрой деградации датчика и повышенному энергопотреблению. К улучшению параметров сенсора приводит поверхностное легирование полупроводникового слоя [2]

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ изготовления полупроводникового чувствительного слоя с нанесенным на его поверхность металлом-катализатором, который существенно повышает чувствительность сенсора [2] Однако прототип имеет существенные недостатки. При нанесении металла-катализатора на поверхность полупроводника частицы металла укрупняются вследствие латеральной диффузии, причем диффузия характерна не только для атомов, но и для небольших металлических частиц, и этот нежелательный процесс ускоряется при повышенных температурах. Таким образом, модифицированная поверхность является термодинамически неравновесной, что приводит к нестабильности электрофизических параметров сенсоров. Дополнительное влияние на стабильность оказывает окисление или отравление металлических частиц в анализируемой среде. К недостаткам следует отнести и невысокую селективность поверхностно легированных сенсоров.

Предлагаемый способ позволяет решить поставленную техническую задачу, имеющую место в приведенных выше технических решениях, а именно обеспечивает такой технический результат, как повышение надежности путем повышения стабильности и селективности полупроводникового чувствительного элемента.

Указанный технический результат, то есть повышение надежности путем повышения стабильности и селективности полупроводникового чувствительного элемента, по сравнению с прототипом достигается тем, что в способе изготовления полупроводникового чувствительного элемента, заключающемся в последовательном нанесении на диэлектрическую термостойкую подложку полупроводникового слоя и слоя металла-катализатора, на поверхность металла-катализатора наносят диэлектрический слой, выполненный из материала, проницаемого для измеряемой компоненты.

Таким образом, предлагаемая совокупность признаков обеспечивает, в отличие от прототипа, повышение надежности чувствительного элемента путем повышения стабильности электрофизических параметров чувствительного элемента за счет фиксации каталитических частиц и предохранения их от окисления или отравления агрессивными неизмеряемыми компонентами смеси и путем повышения селективности за счет снижения доступна неизмеряемых компонентов смесей к чувствительному элементу.

Нанесение на поверхность металл-катализатора диэлектрического слоя позволяет, в отличие от прототипа, повысить надежность чувствительного элемента путем повышения стабильности последнего за счет фиксации каталитических частиц и предохранения их от окисления или отравления агрессивными неизмеряемыми компонентами.

Выполнение диэлектрического слоя из материала, проницаемого для измеряемой компоненты, позволяет, в отличие от прототипа, повысить надежность чувствительного элемента путем повышения селективности последнего за счет снижения доступа неизмеряемых компонентов смесей к чувствительному элементу.

Из вышесказанного можно сделать вывод о том, что предложенная совокупность существенных признаков предлагаемого изобретения не является явной из достигнутого технического уровня и, следовательно, предложенное техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".

При проведении поиска на новизну заявляемого объекта способы изготовления полупроводниковых чувствительных элементов по заявленной формуле из известного уровня техники не обнаружены, из чего можно сделать вывод о том, что предложенное техническое решение является новым.

Анализ взаимодействия признаков предлагаемого способа при его использовании в производственных условиях позволяет сделать вывод о его промышленной применимости.

Предложенный способ заключается в следующем. На диэлектрическую термостойкую подложку наносят тонкий полупроводниковый слой, а затем на него наносят металл-катализатор. Далее на металл-катализатор наносят диэлектрический слой, выполненный из материала, проницаемого только для измеряемой компоненты.

Предложенный способ поясняется примером конкретного применения. На пластину из полированного кварца с электродами для измерения электропроводности наносили тонкую (50 нм) SnO₂ пленку, которую затем легировали методом термического распыления Pd до концентрации атомов на видимой поверхности 310¹⁵/см². Затем на нее осаждали однородный слой политетрафторэтилена (около 50 нм). Полученный полимерный слой селективно проницаем для частиц с малым размером, например молекул и атомов водорода. Приготовленный таким способом сенсор использовали для количественного анализа H₂ в атмосфере N₂ с примесью мешающей компоненты O₂ переменной концентрации. Рабочая температура сенсора составляла 450 K.

На фиг. 1 показан график зависимости дрейфа электросопротивления в чистом воздухе от времени, который характеризует стабильность сенсора. Кривая 1 показывает электросопротивление прототипа, кривая 2 электросопротивление образца с нанесенной по предлагаемому способу мембраной. Из графика (фиг. 1), полученного экспериментально, следует, что изготовленный по предлагаемому способу сенсор показал по сравнению с прототипом (без полимерного мембранного слоя) минимальный дрейф значения электросопротивления (R₀ - электросопротивление сенсора в чистом воздухе), что свидетельствует о большей стабильности образца с мембраной, то есть сенсора, изготовленного по предлагаемому способу.

Задача определения переменных концентраций нескольких мешающих друг другу компонентов не может быть решена с помощью одного сенсора, изготовленного по способу, взятому нами за прототип [2]

На фиг. 2 показано относительное изменение значения электросопротивления прототипа (кривая 1) и сенсора, изготовленного по предлагаемому способу (кривая 2) после напуска в камеру мешающей детектированию компоненты (O₂) (момент напуска на графике обозначен стрелкой). Из графика, изображенного на фиг. 2 и полученного экспериментально, следует, что на сенсор, изготовленный с нанесением селективно проницаемой мембраны, примесь O₂ в атмосфере N₂ не оказывает влияния ((R-R₀)/R₀ относительное изменение значения электросопротивления, характеризующее чувствительность сенсора, R₀ электросопротивление сенсора в чистом N₂, R текущее электросопротивление сенсора в N₂ с примесью O₂, объемная доля которого составила 0,01). Это обстоятельство свидетельствует о повышении селективности сенсора с нанесенной мембраной по сравнению с прототипом в условиях эксперимента и позволяет более точно определять концентрацию H₂ в газовых средах с примесью O₂.