CC BY
12
СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ВЗРЫВООПАСНЫХ И ЛЕГКОВОСПЛАМЕНЯЮЩИХСЯ ГАЗОВ НА ПРОМЫШЛЕННЫХ
ОБЪЕКТАХ
Д.В. Русских, к.т.н., С.А. Донец, к.т.н., Д.П. Воробьев Воронежский институт ГПС МЧС России
С.И. Рембеза, ВГТУ
Интенсивный рост промышленного производства, сопровождающийся выбросами в атмосферу опасных для здоровья и жизни человека веществ, заставляет использовать различные системы мониторинга технологических процессов. В таких системах чаще всего используются относительно дешевые, малогабаритные, но при этом обладающие высокой чувствительностью полупроводниковые датчики газов [1]. В связи с этим ведущие мировые производители (Rilken Keiki, Nippon Monitors, Figaro, Taguchi и др.) вот уже несколько десятилетий занимаются исследованиями, разработкой и производством сенсоров такого типа. Серийно выпускаемые в мире сенсоры получают в основном по керамической и толстопленочной технологии. Главными недостатками таких датчиков являются: дрейф электрических параметров сенсорных слоев при длительном хранении на воздухе, необходимость нагрева до высоких температур порядка 500 °С при определении газовой чувствительности и десорбции газов, что ограничивает их использование для контроля легковоспламеняющихся и взрывоопасных газов. Например, температура максимальной газовой чувствительности к этанолу и ацетону для различных датчиков на основе SnC>2 лежит в пределах 330 - 400 °С [2]. Таким образом, вопросы выбора методов улучшения параметров полупроводниковых датчиков газов и методов изготовления пленок Sn02 являются актуальными.
В последнее время для снижения температуры максимальной газовой чувствительности также часто используется легирование плёнок Sn02 примесями химических элементов редких земель или благородных металлов [3], но это усложняет технологический процесс и увеличивает стоимость таких датчиков.
Некоторые исследователи для решения вышеописанных проблем и интенсификации электронно-ионных процессов на поверхности полупроводников пытались воздействовать на тонкую пленку SnC>2 ультрафиолетовым (УФ) светом большой интенсивности, и ими были получены многообещающие результаты [4]. Однако все известные на сегодняшний день данные о влиянии света на газочувствительные свойства полупроводников довольно неоднозначны. В одних статьях можно найти эксперименты по снижению температуры максимальной газовой чувствительности [5-6], в
других - по повышению величины максимальной газовой чувствительности в результате подсветки УФ-светом [4], в третьих - рассказывается о том, что и красный, и желтый, и зеленый, и синий свет увеличивает величину максимальной газовой чувствительности [7].
Данная работа посвящена определению температуры максимальной газовой чувствительности к этанолу и ацетону при одновременном воздействии света фиолетового светодиода Ь5013УС и одного из этих газов на пленку 8п02.
В качестве объекта исследования были выбраны тестовые структуры датчиков газов с кристаллом из окисленного размером 1x1 мм , содержащим платиновый тонкопленочный нагреватель и контакты встречно-штыревого типа, на расстоянии 10 мкм друг от друга, на которые напылен газочувствительный слой 8п02 толщиной около 0,5 мкм. Тестовые структуры датчиков изготовлены по микроэлектронной технологии с применением методов фотолитографии, многослойной металлизации, плазмохи-мии, травления. Кристаллы тестовых структур смонтированы в восьмивы-водных металлокерамических корпусах интегральных микросхем и содержат два чувствительных элемента. Газочувствительная пленка 8п02 изготавливалась методом магнетронного реактивного распыления оловянной мишени в контролируемой атмосфере Аг + 02. После напыления пленка отжигалась на воздухе при Т = 510 °С для образования мелкокристаллической структуры и стабилизации электрических параметров.
Тестовые структуры датчиков, длительно хранившиеся на воздухе, отжигались при температуре 400 °С для десорбции атмосферных газов с поверхности 8п02. Затем датчики подвергались облучению фиолетовым свето диодом Ь5013УС с длиной волны 405 нм и мощностью 76 мВт 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 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 50 °С, 100 °С, 125 °С, 150 °С, 175 °С и 200 °С) как отношение сопротивления чувствительного элемента на воздухе к сопротивлению в газе и построены графики зависимости газовой чувствительности от температуры (рис. 1).
Из рис. 1 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.
Снижение температуры максимальной газовой чувствительности позволяет уменьшить величину потребляемой мощности датчика, значительно расширить область применения газовых датчиков и увеличить их срок службы.
О 50 100 150 200
Т,°С
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
Список использованной литературы
1. Виглеб Г. Датчики: устрйство и применение / Г. Виглеб. М.: Мир, 1989. - 196 с.
2. Figaro: датчики газов. М.: Издательский дом «Додэка - XXI», 2002. -64 с.
3. Goyat D. Effect of dopant incorporation on structural and electrical properties of sprayed Sn02: Sb films / D. Goyat, C. Agashe, B. Marather // J. Appl. Phys. - 1993. - Vol. 73. - No 11. - P. 7520 - 7523.
4. Comini E. UV light activations of tin oxide thin films for N02 sensing at low temperature / E. Comini, G. Faglia, G. Sberveglieri // Sensors and Actuators В Chemical. - 2001. - Vol. 78. - P. 73 - 77.
5. Comini E. Light enhanced gas sensing properties of indium oxide and tin oxide sensors / E. Comini, A. Cristalli, G. Faglia, G. Sberveglieri // Sensors and Actuators В Chemical. - 2000. - Vol. 65. - P. 260 - 263.
6. Рембеза С.И. Влияние оптического возбуждения на электрические свойства пленок Sn02 / С.И. Рембеза, С.А. Сушков, A.M. Кошелев // Твердотельная электроника и микроэлектроника: межвузовский сборник научных трудов. - 2003. - Вып. 3. - С. 47 - 52.
7. Manera M.G. Optical gas sensing of Ti02 and Ti02/Au nanocomposite thin films / M.G. Manera, J. Spadavecchia, D. Buso, C. de Julian Fernandez, G. Mattei, A. Martucci, P. Mulvaney, J. Peter-Juste, R. Rella, L. Vasanelli, P. Mazzoldi // Sensors and Actuators В Chemical. - 2008. - Vol. 132. - P. 107 -115.
