способ изготовления чувствительного элемента датчиков газа

Формула изобретения

Способ изготовления чувствительного элемента датчика газов, включающий нанесение на изолирующую подложку слоя диоксида олова с примесью кремния, отличающийся тем, что слой диоксида олова с примесью кремния (0,5-5 ат.%) в виде диоксида кремния (SiO ₂) напыляют с помощью реактивного магнетронного распыления составной мишени олово-кварц в атмосфере аргон/кислород (1/3), после чего чувствительный элемент подвергают отжигу на воздухе при температуре 400-500°С не менее 4 ч для формирования нанокристаллической структуры.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к газовому анализу, в частности к полупроводниковым газовым датчикам для контроля токсичных и взрывоопасных газов, и может быть использовано в тех областях науки и техники, где необходим анализ газовых сред.

Известен способ анализа газовых смесей с помощью полупроводниковых датчиков, основанный на измерении изменения электросопротивления чувствительного слоя при взаимодействии его с исследуемой средой. Чувствительный слой представляет собой диоксид олова, к которому добавлено 0,01-5 вес.% порошкообразного кремния и/или алюминия [1].

Согласно способу, описанному в [1], чувствительный элемент может быть изготовлен по керамической технологии путем спекания мелкодисперсных порошков диоксида олова и кремния и/или алюминия при высоких температурах. Полученные этим способом чувствительные элементы представляют параллелепипед с размером ребер порядка нескольких миллиметров.

К недостатком этого способа относятся низкая чувствительность элементов, необходимость высокотемпературного обжига, требующего дополнительных затрат энергии и специального оборудования. Для получения керамических датчиков требуется мелкодисперсный порошок высокочистого диоксида олова. Этот материал имеет высокую стоимость, а расход его на изготовление одного датчика велик в силу сравнительно больших размеров последнего.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ изготовления чувствительного элемента газовых датчиков, заключающийся в нанесении на изолирующую подложку путем вакуумного напыления сплава олова и меди, содержащего 0,05-2 ат.% меди с последующим окислением этого слоя до получения полного оксида. На полученные слои методом вакуумного напыления наносят контакты [2]. Ему, однако, присущ и ряд существенных недостатков: специальное изготовление при высоких температурах сплава олова и меди заданного состава для создания мишени; необходимость дополнительного окисления готовых пленок сплава Sn<Cu>, что приводит к низкой воспроизводимости результатов.

Изобретение направлено на повышение селективности чувствительного элемента и снижение его рабочей температуры.

Это достигается тем, что используется нанокристаллическая пленка SnO_x:SiO₂ толщиной 1 мкм с содержанием Si от 0,5 до 5 ат.%. Для изготовления пленок SnO_x:SiO₂ применяется составная мишень из металлического олова с вставками из кварца, площадь которых не превышает 10% от площади мишени. Пленка наносится на изолирующую подложку методом реактивного магнетронного распыления в атмосфере Ar/O₂ в отношении 1/3 и затем отжигается на воздухе при температуре 400-500°С в течение не менее 4 часов для формирования нанокристаллической структуры SnO_x:SiO₂ с размером кристаллов (5-20 нм).

Газовая чувствительность определялась как , где R_в - сопротивление пленки на воздухе, R_г - сопротивление пленки в парах исследуемого вещества. Известно, что нелегированные пленки SnO ₂ определяют наличие этанола в воздухе при 330°С, легирование пленок SnO₂ кремнием до 5 ат.% снижает температуру максимальной газовой чувствительности к парам этанола в воздухе в 5 раза.

На чертеже приведены температурные зависимости газовой чувствительности пленок SnO ₂, легированных кремнием, к парам этанола (7000 ppm) в воздухе: 1 - SnO₂: (0,6%) Si; 2 - SnO ₂: (2,6%) Si; 3 - SnO₂: (3%) Si; 4 - SnO₂: (5%) Si.

Технические преимущества заявленного способа изготовления полупроводникового чувствительного элемента состоят, в сравнении с прототипом, в отсутствии необходимости изготавливать специальный сплав для мишени, в использовании типового оборудования технологии микроэлектроники, в отсутствии необходимости дополнительной операции окисления, в уменьшении количества технологических операций. Кроме того, чувствительный элемент, изготовленный по данному способу и состоящий из наноразмерных кристаллов (5-20 нм), можно использовать для определения более широкого спектра веществ при более низких температурах по сравнению с чувствительным элементом на основе нелегированных пленок SnO ₂. Простота напыления газочувствительного слоя из составной мишени улучшает воспроизводимость свойств полученных пленок, однородность напыляемых слоев и уменьшает разброс параметров пленок по пластине.

Источник информации

1. Патент Япония №59-65173, G 01 N 27/12, опубл. 18.01.93.

2. Патент РФ №2006845, G 01 N 27/12, опубл. 30.01.94 (прототип).