2. Технические характеристики и принцип действия
газового микросенсора.
2.1. Технические характеристики микросенсора.
Полупроводниковый газовый сенсор изготавливается в климатическом исполнении УХЛ категория 4.2 по ГОСТ 15150.
Сопротивление нагревательного резистора должно находится в диапазоне
20-50 Ом, разброс сопротивлений сенсоров одного типа не более 10%.Сопротивление газовых резисторов сенсоров в воздухе без подачи тестируемого газа должно быть не менее 30 кОм и не более 5 МОм. Сопротивление изоляции должно быть не менее 20 МОм.
Чувствительность сенсоров – относительное изменение сопротивления газочувствительных резисторов при подаче исследуемого газа относительно сопротивлений этих резисторов при подаче поверочной газовой смеси (20.7% О2 и 79.3% N2) должно быть:
- при подаче смеси с 100 ppm СО RO/RГ не менее 2;
- при подаче смеси с 0.5% СН4 RO/RГ не менее 1.3;
RO - сопротивление газочувствительного резистора при подаче технического воздуха,Ом,
RГ – сопротивление газочувствительного резистора при подаче контрольной смеси с измеряемым газом.
Время отклика сенсора на измерение концентрации газа, определяемое по уровню 0.9, должно быть не более 15 с.
Время установления исходного состояния после снятия газовой нагрузки должно быть не более 30 с.
Напряжение смещения на газочувствительный резистор должно быть не более
5 В.
Напряжение, подаваемое на нагревательный резистор, должно находится в пределах 5.5-6.5 В.
Время прогрева сенсора перед измерениями параметров при подаче газовой смеси не менее 1 часа.
Максимальная потребляемая мощность должна быть не более 700 мВт.
Требования по стойкости к внешним воздействующим факторам:
- сенсоры должны выдерживать механические удары одиночного воздействия;
- сенсоры должны быть стойкими к воздействию синусоидальной вибрации в диапазоне частот от 10 до 80 Гц с амплитудой ускорения 50 м/с2 (5g).
Сенсоры должны быть стойкими к воздействию следующих климатических факторов:
- сенсоры должны выдерживать воздействие пониженной температуры минус 25°С;
- сенсоры должны выдерживать воздействие повышенной температуры плюс 60°С;
- сенсоры должны выдерживать изменение температуры окружающей среды от 5°С до 45°С;
- сенсоры должны выдерживать влияние повышенной относительной влажности 98% при 25°С.
Требования по надежности:
- средняя наработка на отказ сенсора должна быть не менее 5000 часов.
- средний срок сохраняемости сенсоров должен быть не менее 3 лет.
Недопустимо попадание на вход сенсоров газовых смесей, способных привести к катастрофическим дефектам, например, фтористого водорода.
2.2. Назначение и структура микросенсора.
Газовые микроэлектронные химические сенсоры предназначены для определения наличия и количества контролируемых газовых компонентов. В настоящей работе исследуется сенсор, используемый для определения концентрации компонентов в смеси окиси углерода и метана.
Микросенсоры на СО и СН4, выпускаемые ОАО “Авангард-Микросенсор”, могут быть использованы для создания индивидуальных газоанализаторов и систем безопасности в различных сферах производства, в автотранспорте, угольных шахтах, топливно-энергетическом комплексе. Нужны сенсоры и в салоне автомобиля для контроля допустимого предела выхлопного газа.
К эффективности работы сенсора предъявляются высокие требования. Сенсор должен вовремя сигнализировать о наличии даже очень маленьких концентраций газа. Высокая скорость обнаружения газа, высокая чувствительность к газу – эти факторы накладывают жесткие требования к конструкции сенсора. Туда входят и последние достижения исследований технологии изготовления, и точно рассчитанные элементы самой конструкции.
В разрезе кристалл состоит из ряда технологически отдельно выполненных слоев. Структура кристалла микросенсора по слоям представлена на рис.2.1, на котором указаны наименования слоев.
Конструкционной основой кристалла сенсора является монокристаллический кремний, как правило, n-типа, что связано с возможностью глубокого анизотропного
травления его тыльной стороны для формирования мембранных структур. Кремниевая подложка пассивируется слоем двуоксида кремния, получаемым методом термического окисления. Нагревательный элемент сенсора выполнен из поликристаллического кремния. Для получения требуемой проводимости (22.5±7.5 Ом/ÿ) поликремневый слой легируется примесями из растворных плёнок в диффузионной системе. Нагревательный элемент отделён от газочувствительного элемента трёхслойным диэлектриком:
§ диоксидом кремния SiO2;
§ нитридом кремния Si3N4;
§ пятиокисью тантала Ta2O5.
Использование Та2О5 в качестве диэлектрического слоя применительно к газовым сенсорам является оригинальным конструктивно–технологическим решением специалистов З.А.О.“Авангард-Микросенсор”. Использование Та2О5 совместно с другими диэлектрическими слоями обеспечивает практически 100% отсутствие прямого контакта между нагревательным и газо-чувствительным элементами.
Газо-чувствительный слой выполняется на основе двуокиси олова (SnО2). Далее слой SnО2 легируют растворными пленками донорно-акцепторных примесей: сурьмой и гадолинием. Такой выбор легирующих примесей определяется необходимостью создания требуемой проводимости (концентрации носителей) газочувствительного полупроводника, и их стабилизирующими свойствами относительно различного рода деградационных процессов в слое SnО2.
Металлизация выполнена из двух слоёв: тонкого подслоя хрома, обеспечивающего омический контакт как к поликремнию, так и к двуокиси олова, и достаточно толстой алюминиевой плёнки, обеспечивающей удовлетворительную приварку алюминиевой проволоки к выходным контактным площадкам сенсора.
Введение в структуру газочувствительного элемента каталитических элементов является ключевым вопросом в технологии газовых микросенсоров. В ОАО “Авангард-Микросенсор” этот вопрос решен оригинальным методом - формированием каталитических покрытий из растворных плёнок на основе тетраэтоксисилана, содержащих каталитические элементы. После термической обработки нанесенных центрифугированием растворных плёнок на поверхности кристалла сенсора остаются слои SnО2 с равномерно распределёнными молекулами окислов каталитических элементов.
2.3. Механизм функционирования газового микросенсора.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.
