CC BY
32
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ДАТЧИКОВ ГАЗОВ ВО ВЗРЫВООПАСНЫХ И ЛЕГКОВОСПЛАМЕНЯЮЩИХСЯ СРЕДАХ
К.Е. Кострикин Воронежский институт ГПС МЧС России
научный руководитель: Д.В. Русских, к.т.н., доцент
В связи с интенсивным ростом промышленного производства и увеличением выброса в атмосферу опасных для здоровья и жизни человека веществ, стало актуальным использование различных систем мониторинга технологических процессов и состояния окружающей среды. В таких системах чаще всего используются относительно дешевые, малогабаритные, но при этом обладающие высокой чувствительностью полупроводниковые датчики газов. Главным недостатком таких датчиков является необходимость нагрева до высокой температуры, что ограничивает их использование на предприятиях, применяющих легковоспламеняющиеся и взрывоопасные газы. Для снижения температуры максимальной газовой чувствительности можно легировать плёнку Бп02 примесями химических элементов редких земель или благородных металлов, но это усложняет технологический процесс и увеличивает стоимость таких датчиков.
Некоторые исследователи для интенсификации электронно-ионных процессов на поверхности полупроводников пытались воздействовать на тонкую пленку Бп02 ультрафиолетовым (УФ) светом, и ими были получены довольно многообещающие результаты. Однако они не предприняли попыток для определения температуры максимальной газовой чувствительности при одновременном воздействии на образцы УФ-света и газа, а используемые в их исследованиях стационарные источники УФ-света могут применяться только для научных исследований, так как имеют большую мощность и размеры.
Данная статья посвящена определению температуры максимальной газовой чувствительности к этанолу и ацетону при одновременном воздействии света фиолетового светодиода Ь5013УС и одного из этих газов на пленку Бп02.
В качестве объекта исследования были выбраны тестовые структуры датчиков газов с кристаллом из окисленного размером 1 х 1 мм , содержащим платиновый тонкопленочный нагреватель и контакты встречно-штыревого типа, на расстоянии 10 мкм друг от друга, на которые напылен газочувствительный слой Бп02 толщиной около 0,5 мкм. Тестовые структуры датчиков изготовлены по микроэлектронной технологии с применением методов фотолитографии, многослойной металлизации, плазмохимии, травления. Кристаллы тестовых структур смонтированы в стандартных восьмивы-водных металлокерамических корпусах интегральных микросхем и содержат
два чувствительных элемента. Газочувствительная пленка SnO2 изготавливалась методом магнетронного реактивного распыления оловянной мишени в контролируемой атмосфере Л + O2. После напыления пленка отжигалась на воздухе при Т = 510оС для образования мелкокристаллической структуры и стабилизации электрических параметров.
Тестовые структуры датчиков, длительно хранившиеся на воздухе, отжигались при температуре 400о С для десорбции атмосферных газов с поверхности SnO2. Затем датчики подвергались облучению фиолетовым светодиодом Ь5013УС с длиной волны 405 нм и мощностью 76 мВт при комнатной температуре кристалла, а также при 50оС, 100оС, 125оС, 150оС, 175оС и 200оС на воздухе, при одновременном измерении величины электросопротивления чувствительного элемента, а потом при тех же температурах в атмосфере исследуемого газа. 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 50оС, 100оС, 125оС, 150оС, 175оС и 200оС) как отношение сопротивления чувствительного элемента на воздухе к сопротивлению в газе.
50
100
Т, оС
150
--- 2
200
Рис. 1. Зависимость газовой чувствительности к парам этилового спирта (2000 ррт) и ацетона (2000 ррт) от температуры при облучении фиолетовым светодиодом тестовой структуры датчика газов.
1
0
Из рисунка 1 видно, что максимальная газовая чувствительность к парам этилового спирта (2000 ррт) наблюдается при температуре 10оС и составляет 1,26, а к парам ацетона (2000 ррт) - при температуре 50оС и составляет 1,335.
Снижение температуры максимальной газовой чувствительности позволит уменьшить величину потребляемой мощности датчика, значительно расширить область применения газовых датчиков и увеличить срок их службы.
