Разработана технология изготовления толстопленочного полупроводникового сенсорас проволочным чувствительным элементом, обеспечивающим контроль за содержанием фтористого водорода в широком диапазоне его концентраций и параметров окружающей среды. Предложенытехнологическая схема, совокупность операций и последовательность их исполнения с целью создания серийного толстопленочного полупроводникового сенсора фтористого водорода.
Постоянно ухудшающаяся экологическая ситуация во многих регионах мира требует создания систем контроля и защиты окружающей среды, а также своевременного предупреждения о превышении допустимых норм содержания в воздухе токсичных и горючих газов. В связи с этим разработка и создание методов, регистрирующих содержание фтористого водорода в промышленности и быту, является важной аналитической и экологической задачей. Для контроля концентраций ядовитых, огнеопасных и взрывоопасных газов используют различные типы газовых сенсоров и газоанализаторов [1].
Основными требованиями, предъявляемыми к газовым сенсорам фтористого водорода, являются: достаточная чувствительность, селективность, быстродействие, малая потребляемая мощность, дешевизна и простота изготовления, стабильность при эксплуатации и возможность серийного изготовления. Сенсоры используются для измерения концентрации фтористого водорода в атмосфере рабочих зон цехов различных промышленных предприятий, а также в технологических потоках отходящих газовых смесей. Полученные данные при определении фтористого водорода будут применяться при контроле экологической обстановки и оптимизации различных технологических процессов [1,2].
Область применения сенсоров фтористого водорода: мониторинг окружающей среды, электролизные цеха алюминиевого производства, склады химических производств, химико-металлургические цеха, предприятия электронной, целлюлозно-бумажной, легкой, пищевой промышленности, холодильные установки и др. [2].
Одними из наиболее удовлетворяющих вышеперечисленных требований мониторинга содержанияфтористого водорода являются полупроводниковые сенсоры, представляющие собой инертнуюподложку, размером ~20,50,3 мм. На одной стороне, которой сформирован газочувствительный слой (оксид или соль металла), а противоположной — металлический (платиновый пленочный) нагреватель. Толщина газочувствительного слоя составляет 10–1000 нм и нагревателе — 200 нм. К газочувствительному слою и нагревателю привариваются электрические выводы из платиновой или золотой проволоки, толщиной 30 мкм.
Основой полупроводникового сенсора является газочувствительный слой оксида металла. Использование полупроводниковых оксидов в качестве газочувствительного материала позволяет обеспечить чувствительность к широкому спектру горючих и химически активных газов, находящихся в воздушной среде и газовых смесях [1,3].
В полупроводниковых газовых сенсорах используется эффект изменения электропроводности полупроводникового материала, полученный при адсорбции на его поверхности молекул детектируемых газов. Адсорбция газов на поверхности газочувствительного материала зависит от температуры и реализуется в диапазоне 100–500 ◦С, причем для каждого по природе газа существует довольно небольшой диапазон температур, в котором чувствительность материала к конкретному газу максимальная.
Известные малогабаритные полупроводниковые сенсоры делятся на металооксидные и структурные. По технологииизготовления металооксидные сенсоры делятся на тонкопленочные и толстопленочные.
При проведении эксперимента в качестве диэлектрической подложки использовались пластины из оксида алюминия (сапфир, корунд), кремния и слюда, толщиной 0,1–0,3 мм. На заключительном этапе непосредственно перед нанесением газочувствительного слоя изготовленная пластина проходит термохимическую обработку.
В качестве газочувствительного слоя использовали оксиды металлов Sn, Fe, Cu, Zn, Co, Ni и др. Формирование газочувствительного слоя из оксида металла осуществлялось вакуумно-термическим распылением и золь-гель методом. Распыление производилось на технологическом оборудовании ВУП-5, на котором также осуществлялось легирование оксидных пленок с различными добавками.
При формировании газочувствительного слоя из LaF3 в качестве мишени использовался поликристаллический трифторид лантана с чистотой, не менее 99,0 %. Выбор мишеней (LaF3) обусловлен характером поставленной задачи и технологическими причинами. Распыление производилось в атмосфере аргона. В процессе отработки режимов распыления исследовалось влияние толщины пленки и температуры подложки. Показано, что повышение температуры подложки при напылении способствует кристаллическому совершенству пленок, а наибольшая газочувствительность соответствует диапазону температур 250–500 °С.
В процессе исследований было также установлено, что повышение толщины пленки приводит к росту газочувствительности сенсора и достигает наибольшего значения при толщине 600–800 нм. На заключительном этапе сформированный газочувствительный слой подвергался отжигу, являющемуся ответственной операцией, приводящей к структурному превращению пленки из поликристаллического состояния в монокристаллическое. Общее сопротивление газочувствительного слоя на воздухе, зависит от толщины пленки.
Нагреватель полупроводникового сенсора представлял собой полоску платины, шириной чипа, то есть около 0,5 мм. Платиновый пленочный нагреватель формировался на обратной стороне подложки в плазме аргона методом вакуумно-термического напыления металлической мишени. Распыление производилось при температуре подложки, равной 500 °С. Полученные пленки, обладали высоким значением температурного коэффициента сопротивления (ТКС = 3∙10–3 град-1).
Контакты формировались к нагревателю и газочувствительному слою методом вакуумно-термического нанесения слоя металла (платина, золото, серебро, никель и др.) при температуре подложки, равной 350 °С. Пленки золота или платины, толщиной 0,5 Мкм наносились на слой LaF3.
Нарезание пластин со сформированным газочувствительным слоем, нагревателем и электрическими контактами осуществлялось механически.
В результате проведенных исследований разработана технология изготовления толстопленочного полупроводникового сенсорас проволочным чувствительным элементом, обеспечивающим контроль за содержанием фтористого водорода в широком диапазоне его концентраций и параметров (температура, давление, влажность и др.) окружающей среды. Предложенытехнологическая схема, совокупность операций и последовательность их исполнения с целью создания серийного толстопленочного полупроводникового сенсора фтористого водорода, отвечающие требованиям соответствующих ГОСТов 52033–2003, на приборы аналогичных классов.
Литература:
- Кальвода Р., Зыкова Я., Штулок К. Электроаналитические методы в контроле окружающей среды.-М.:Химия,1990.-240 с.
- Абдурахманов Э. Разработка термокаталитических методов для создания высокоселективных автоматических анализаторов токсичных и взрывоопасных газовых смесей.//Авт. дис. на соис. уч. ст. док. хим. наук. Ташкент. 2004, 42 с.
- Сагателян О. А. Музыковский В. А., Дудкин Н. И. Газоанализатор фтористого водорода / Тез.докл. 2. Всесоюз.конф. по электрохимии. часть- 1. — Томск, 1985. — с. 229–230.
