ИНТЕГРАЛЬНЫЙ МЕТАЛЛООКСИДНЫЙ ГАЗОВЫЙ СЕНСОР

 

Полупроводниковые металлооксидные газовые сенсоры, принцип действия которых основан на изменении проводимости ряда широкозонных полупроводников (ZnO, SnO₂, In₂O₃ и др) в присутствии различных газов, находят широкое применение в газоаналитических приборах.

Конструкция предлагаемого полупроводникового металлооксидного сенсора показана на рис.1. Сенсор выполнен на подложке 1 из сапфира размером 0,2´0,5´2 мм. На одной стороне подложки расположен тонкопленочный платиновый нагреватель 2, а на другой - газочувствительный слой 3 и электроды 4. Выводы сенсора 5 выполнены из платиновой проволоки Æ30 мкм. Сенсор крепится за проволочные выводы таким образом, что подложка находится в подвешенном состоянии и рассеивание тепла осуществляются за счет теплообмена с воздухом и с корпусом датчика через проволочные выводы.

Рис.1. Конструкция металлооксидного полупроводникового сенсора.

1- сапфировая подложка; 2- тонкопленочный платиновый нагреватель; 3- газочувствительный слой; 4- электроды;

5- проволочные выводы.

 

Малая площадь поверхности сенсора и низкая теплопроводность платиновых выводов позволили значительно снизить потребляемую мощность, что очень важно при использовании сенсоров в автономных измерительных приборах. Зависимость потребляемой нагревателем мощности от рабочей температуры сенсора приведена на рис. 2.

Малый температурный градиент между нагревателем и газочувствитель­ным слоем, обусловленный конструкцией сенсора, позволяет с высокой точ­ностью поддерживать постоянную рабочую температуру сенсора путем стабилизации сопротивления нагревателя. Сопротивление «холодного» тонкопленочного платинового нагревателя около 4 ... 7 Ом, ТКС - около 3,5´10^-3 1/°С.

Для поддержания постоянной температуры нагревателя разработан импульсный регулятор, обеспечивающий работу сенсора от источника напряжением от 4 до 12 В с к.п.д. более 80 %.

Другими достоинствами описанной конструкции являются высокая технологичность (на одной подложке в едином технологическом цикле формируются несколько тысяч чувствительных элементов), широкий диапазон рабочих температур (до 600 °С) и высокая устойчивость к механическим воздействиям вследствие малой массы чувствительного элемента.

Варьируя состав газочувствительного слоя и рабочую температуру можно управлять чувствительностью и селективностью сенсора к различным компонентам.

На основе описанной конструкции были разработаны датчики углеводородов, гидридных газов (H₂S, PH₃, AsH₃), этанола, водорода и др. В этих сенсорах газочувствительный слой представляет собой тонкие пленки на основе ZnO и SnO₂, формируемые методом магнетронного реактивного распыления. Формирование на поверхности тонкопленочного газочувствительного слоя островковых пленок различных катализаторов позволяет повысить селективность сенсора к некоторым компонентам и значительно снизить его рабочую температуру. Так формирование на поверхности тонкопленочного газочувствительного слоя на основе SnO₂ островковой пленки золота позволило снизить рабочую температуру датчика этанола с 380 до 250°С и обеспечить высокую селективность к этанолу в присутствии ацетона.

Важно, что описанная конструкция полупроводникового металлооксидного сенсора допускает использовать толстопленочные газочувствительные слои, что расширяет спектр детектируемых компонентов. Применение толстопленочного газочувствительного слоя на основе SnO₂ позволило создать датчик метана со следующими характеристиками:

потребляемая мощностью, мВт .......................................................................... 250

пороговая чувствительность, ppm ...................................................................... 10

диапазон измерения концентрации метана, ppm .................................. 0 до 50 000

постоянная времени, с .............................................................................. не более 5

рабочий диапазон температур, °С ..............................................................-60 ...100

сопротивление газочувствительного слоя в воздухе, МОм .......…........... 0,5 ... 1

отношение сопртивления газочувствительного слоя в воздухе

к сопротивлению газочувствительного слоя при 1000 ppm метана ............... 4...6

На основе этого сенсора совместно с Институтом химических проблем микроэлектроники (г.Москва) завершается разработка комплекса приборов для контроля содержания озона в воздухе (автономный и стационарный приборы, выносной датчик для измерительных систем).

На основе описанных датчиков  также разработан газовый течеискатель ТГ-4 - автономный переносной прибор для поиска утечек различных газов (коммунальный газ, гидридные газы, водород и др) из газовых коммуникаций. Прибор имеет звуковую и световую индикацию величины утечки газа, автоматическую установку уровня фона, а также три пороговых уровня концентрации газа.