Использование полупроводниковых датчиков газов во взрывоопасных и легковоспламеняющихся средах Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДАТЧИКОВ ГАЗОВ ВО ВЗРЫВООПАСНЫХ И ЛЕГКОВОСПЛАМЕНЯЮЩИХСЯ СРЕДАХ

Д.В. Русских, доцент, к.т.н., А.В. Кузьмин, слушатель, Воронежский институт ГПС МЧС России

Интенсивный рост промышленности и использование в производстве легковоспламеняющихся и взрывоопасных газов требуют разработки новых высокочувствительных и надежных систем контроля состояния атмосферы производственных помещений. Поэтому на сегодняшний день одним из наиболее перспективных направлений микроэлектроники считается разработка полупроводниковых датчиков газов, обладающих целым рядом достоинств: простота изготовления, дешевизна, высокая чувствительность. Такие датчики подходят для детектирования большинства известных токсичных газов, но не подходят для использования в легковоспламеняющихся и взрывоопасных средах без взрывозащитного корпуса из-за высокой температуры максимальной газовой чувствительности и в связи с этим высокого энергопотребления. Например, максимальная газовая чувствительность тонкопленочных датчиков газов на основе БиОг к этанолу и ацетону составляет 330 - 400°С. Для снижения температуры максимальной газовой чувствительности можно легировать плёнку БиОг примесями химических элементов редких земель или благородных металлов [1], но это усложняет технологический процесс и увеличивает стоимость таких датчиков. Наиболее перспективным путем решения этих проблем является интенсификация электронно-ионных процессов на поверхности тонких пленок БиОг ультрафиолетовым (УФ) светом. Однако на сегодняшний день известны подобного рода эксперименты лишь с применением стационарных источников УФ света большой интенсивности [2], которые могут применяться только для научных исследований, так как имеют большую мощность и размеры.

Целью данной работы является снижение температуры максимальной чувствительности тонкопленочных датчиков газов на основе БиОг к этанолу и ацетону путем оптической активации электронно-ионных процессов на поверхности с помощью фиолетового светодиода Ь5013УС с длиной волны 400 нм и мощностью 76 мВт.

Объектами исследования служили тестовые структуры тонкопленочных датчиков газов на основе БиОг, топология которых представлена на рис. 1. В конструкции датчика имеются две автономные контактные группы (2) и один нагревательный элемент специальной формы (1), которая обеспечивает равномерное распределение температуры по поверхности газового сенсора. С целью снижения мощности, расходуемой на десорбционный нагрев и поддержание температуры для обеспечения максимальной чувствительности, кремниевая подложка имеет размеры 1,0^1,0x0,12 мм. Толщина газочувствительной пленки - (3) 250 нм.

Рис. 1. Топология тестовой структуры датчика газов: 1 - платиновый меандр нагревателя; 2 - встречно - штыревые электроды сенсорного элемента; 3 - газочувствительная пленка Бп02; 4 - контактные площадки

Технологический маршрут производства газового сенсора был максимально приближен к существующей технологии изготовления сверхвысокочастотных транзисторов. Все применяемые технологические операции используются при производстве СВЧ транзисторов [3].

Тестовые структуры датчиков, длительно хранившиеся на воздухе, отжигались при температуре 400°С для десорбции атмосферных газов с поверхности Бп02. Затем датчики подвергались облучению светодиодом при комнатной температуре кристалла, а также при 50°С, 100°С, 125°С, 150°С, 175°С и 200°С на воздухе, при одновременном измерении величины электросопротивления чувствительного элемента, а потом при тех же температурах в атмосфере исследуемых газов. Светодиод располагался на расстоянии 2 мм от газочувствительной пленки.

Для определения температуры максимальной газовой чувствительности была рассчитана газовая чувствительность датчиков при различных температурах (при комнатной температуре, при 50°С, 100°С, 125°С, 150°С, 175°С и 200°С) как отношение сопротивления чувствительных элементов на воздухе к сопротивлению чувствительных элементов в газе и построены графики зависимости газовой чувствительности от температуры (рис. 2).

Из рис. 2 видно, что максимальная газовая чувствительность к парам этилового спирта (2000 ррт) наблюдается при температуре 100°С и составляет 1,26, а к парам ацетона (2000 ррт) - при температуре 50°С и составляет 1,335.

50

100

Т, оС

150

200

Рис. 2. Зависимость газовой чувствительности к парам этилового спирта (2000 ppm) (1) и ацетона (2000 ppm) (2) от температуры при облучении фиолетовым светодиодом тестовой структуры датчика газов

Из проделанной работы можно сделать следующие выводы:

1) Оптическая активация поверхностных состояний в пленке SnO2 снижает температуру максимальной газовой чувствительности к этиловому спирту с 330°С до 100°С и к ацетону с 400°С до 50°С.

2) Снижение температуры максимальной газовой чувствительности позволит использовать датчики в легковоспламеняющихся и взрывоопасных средах, уменьшить величину потребляемой мощности и увеличить их срок службы.

3) Доступный, недорогой и малогабаритный источник света - фиолетовый светодиод L5013VC с длиной волны 400 нм и мощностью 76 мВт - можно применять даже в портативных индикаторах газов.

2

0

Список использованной литературы:

1. Goyat D. Effect of dopant incorporation on structural and electrical properties of sprayed SnO2: Sb films / D. Goyat, C. Agashe, B. Marather // J. Appl. Phys. 1993. Vol. 73. No 11. P. 7520 - 7523.

2. Comini E. UV light activations of tin oxide thin films for NO2 sensing at low temperature / E. Comini, G. Faglia, G. Sberveglieri // Sensors and Actuators B Chemical. 2001. Vol. 78. P. 73 - 77.

3. Технологические схемы изготовления микроэлектронных датчиков газов / С.И. Рембеза, Д.Б. Просвирин, О.Г. Викин, Г.А. Викин, В.А. Буслов // Электроника и информатика: материалы IV Междунар. науч.-техн. конф. М.: МИЭТ, 2002. С. 342 - 343.