Конструкция газочувствительного микросенсора (Раздел дипломной работы)

3. Конструкция газочувствительного микросенсора.

3.1.  Конструкция кристалла микросенсора.

Структура и топология ЧИП-а сенсора базируется на газочувствительном слое SnО₂, легированном из растворной пленки сурьмой и редкоземельным элементом - гадолинием. На поверхности слоя SnО₂ методом поликонденсации из раствора формируются слои, содержащие различные каталитические элементы. Нагревательный элемент выполняется из поликремния, легированного из растворной пленки фосфором, находится под слоем SnО₂ и отделен от газочувствительного слоя трёхслойным диэлектриком SiО₂-Si₃N₄-Та₂О₅. Металлизация   выполняется из двух слоев: Сг-А1, при этом Сг обеспечивает омический контакт к поликремниевому нагревательному элементу и газо-чувствительному SnО₂-резистору во всем диапазоне используемых режимов эксплуатации, а Al – низкое электрическое сопротивление коммутации и хорошую технологичность при выполнении операции сборки кристаллов в корпус.

Базовый топологический вариант ЧИП-а сенсора включает в себя:

- два газочувствительных SnО₂-резистора, с каталитическим покрытием и без него;

- нагревательный элемент из поликремния;

- коммутационные элементы из Сг-А1.

Из исследуемых раньше вариантов исполнения конструкции газового сенсора в данный момент на ОАО “Авангард-Микросенсор” используется последняя серия с кодовым номером “3GS”. Эта серия “3GS” более совершенная, чем  все предыдущие. Основное отличие серии  - это формирование двух газочувствительных резисторов на одном кристалле. Второй газочувствительный элемент введен для нейтрализации влияния влажности на параметры сенсора. При этом газочувствительный элемент без каталитического покрытия не реагирует практически на все контролируемые газовые компоненты. При объединении двух газочувствительных  резисторов с каталитическим элементом и без него (или с двумя различными каталитическими элементами) в измерительный делитель напряжения (измерительную мостовую схему), потенциал в его средней точке (диагонали измерительного моста) будет строго фиксировать концентрацию определяемых газовых компонентов безотносительно к изменению относительной влажности окружающей среды. Топологически два газочувствительных резистора с различными каталитическими элементами интегрированы на одном кристалле с общим нагревательным элементом и обеспечивают дрейф потенциала в средней точке измерительного делителя напряжения в течение 24 часов работы сенсора при изменении относительной влажности от 20 до 95%.

Чертеж топологии для сенсоров типа 3GS представлены на рис. 3.1.

В таблице 3.1 представлены характеристики топологии  сенсоров.

Характеристики топологии кристалла сенсора серии 3GS.

Элемент	Размеры
Контактные площадки, мкм	130х130
Размер нагревателя сенсора, мкм	100х840+350х440 +100х840
Размер области газочувствительного резистора №1, мкм	105х110
Размер области газочувствительного резистора №2, мкм	110х205
Общая активная часть, мкм	1450х1450
Размер кристалла, мкм	1500х1500 х340

Таблица 3.1.

В таблице 3.2. представлены характеристики топологических слоев кристалла микросенсора.

Характеристики топологических слоев кристалла микросенсора.

Название	Толщина, мкм	Материал	ГОСТ, ОСТ, ТУ
Пластина	0.380±0.2	КЭФ 4.5	ЕТО.035.206 ТУ
Первый изолирующий слой	0.8±0.20	SiO2	-
Резистивный слой	0.5±0.10	поликремний	-
Второй изолирующий слой	0.2±0.005	SiO2	-
Третий изолирующий слой	0.15±0.05	Si3N4	-
Четвертый изолирующий слой	0.05±0.01	Та2О5	-
Резистивный полупроводниковый слой	0.1±0.05	SnO2	-
Адгезивный слой	0.1±0.05	Gr A995	ЭРХ ТУ 14-5-76
Проводниковый слой	1.0±0.2	Al A995	ГОСТ 1106-74
Первый каталитический слой	0.025±0.0025	Н8	-
Второй каталитический слой	0.025±0.0025	Н9	-

      Таблица 3.2.

Топология кристалла сенсора формируется с помощью комплекта фотошаблонов, включающего в себя 9 слоев (Приложение 1).

Шаблон  1  применяется для формирования топологии нагревательного элемента.

Шаблон 2  применяется при первом  травлении окон к нагревательному элементу по слою Та и втором травлении окон к нагревательному элементу по слою Si₃N₄.

Шаблон 3 используется при формировании топологии жертвенного слоя поликремния, который в дальнейшем используется для обратной фотолитографии по газочувствительному слою SnO₂.

Шаблон 4 применяется при третьем травлении окон к нагревательному элементу по слою SiO₂.

Шаблон 5 применяется при формировании топологии металлической разводки.

Шаблон 6 используется при удалении маскирующего слоя SiO₂ на рабочем газочувствительном резисторе.

Шаблон 7 применяется для вскрытия окон в слое SiO₂ на компенсационном газочувствительном резисторе.

Шаблон 8 применяется при вскрытии контактных площадок.

Шаблон 9 используется при  зачистке скрайберных дорожек.

Для совмещения фотошаблонов используются реперные знаки. Точность совмещения по реперным знакам 0.1 мкм.

3.2.  Конструкция сенсора.