Введение к работе
Актуальность теми диссертации. В последнее время значи
тельное внимание уделяется разработке новых типов газовых
датчиков (сенсоров) с целью их применения при контроле тех
нологических процессов и в экологическом мониторинге. Наибо
лее широко распространены в настоящее время датчики на основе
окислов металлов. Однако, анализ сутгествуюігих работ показы
вает, что данный тип датчиков имеет ряд существенных недос
татков. В частности, большинство таких датчиков изготавлива
ется без применения микроэлектронной технологии и имеет высо
кую стоимость. Рабочая.температура сенсоров данного типа ле
жит в интервале 400- 600С, что приводит к высокому энерго
потреблению, нестабильности показаний датчиков. К недостат
кам следует отнести также низкую селективность этого типа
датчиков. . '
.; От недостатков не свободны и другие типы сенсоров. В частности, сенсоры работающие на потенциометрическом принципе. Обладая высокой селективностью и малым энергопотреблением і такие сенсоры имеют ограниченный срок .службы (около года) и дороги в. производстве.
Сенсоры на основе структуры металл - диэлектрик - полупроводник ОДП - структура) являются одними из наиболее перспективных в настоящее время. Однако, ВДП - сенсоры, полученные стандартными методами термического напыления часто деградируют уже при сравнительно небольших концентрациях газов. Так например, в случае определения содержания водорода в воздухе это происходит при 0,02 об.%.
Применение лазерного метода напыления плёнок при изготовлении ВДП - сенсоров позволяет существенно повысить их качество и получать датчики водорода, работающие при концентрациях вплоть до 4 об.%. Этим определяется актуальность темы исследования.
Целью данной работы является разработка методики изготовления водорсдочувствительных ЭДЦП - структур с использованием метода лазерного напыления и исследование физических свойств полученных структур.
Звдачи исследования:
-
Разработка методики напыления пленок палладия с помощью метода частотного лазерного напыления. ~
-
Исследование электрофизических свойств ВДП - структур, полученных с помощью лазерного напыления.
-
Исследование статических и временных характеристик сенсоров, изготовленных на основе.ВДП - структур.
-
Выяснение возможностей применения полученных структур в качестве чувствительных элементов приборов для определения концентрации водорода в воздухе.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
Предложен и разработан метод частотного лазерного напыления плёнок для изготовления водородных ВДП - сенсоров с использованием твердотельного лазера с длительностью импульса 10 не при плотности мощности излучения Ю Вт/сіг на поверхности мишени.-
-
Впервые исследованы электрофизические свойства ВДП -структур Si- Si04-Pcl и Si-Si0^-Toa0s-P«L , полученных с применением лазерного метода напыления.
~5-;v'/
-
Разработана технология лазерного нанесения плёнок окисла тантала со стабильным встроенным зарядом.
-
Изготовлены ВДП - структуры, позволяющие измерять концентрацию водорода в воздухе от 10" до 4 сб.%.
-
На базе полученных ВДП - структур разработан макет прибора для измерения концентрации водорода в воздухе от I0"4 до I о6.%; прибор опробован в полевых условиях для измерения концентрации водорода в почве. Данной прибор может найти также применение для контроля содержания водорода в производственных помещениях ГЭС, АЗС, ТЭЦ. -
На.зашиту выносятся следующие научные положения:
-
Разработанная методика частотного лазерного напыления палладия при длительности импульса 10 не. Показано, что оптимальным является плотность потока мощности лазерного излучения на поверхности мишени 10 Вт/см^. Методика . позволяет получать.ВДП - структуры с малой величиной плотности поверхностных состояний и с величиной адгезии палла-диевой плёнки 15 Н/ыьг +5 Н/мм2. .>..-; v -; .
-
Разработанная методика приготовления плёнок оксида тантала, эаклвчаюшаяся в напылении тонкой плёнки тантала
~ І00 8 с последующим окислением, на воздухе при температуре 600С. Плёнки оксида тантала ограничивают процесс диффузии водорода вглубь диэлектрика, что позволяет получать ВДП -структуры свободные от эффекта дрейфа вольт - фарадкой характеристики в присутствии водорода.
3. Экспериментально показано, что вольт - фарадная ха
рактеристика структуры Sl-SiOj-TdjOj-Pel смешается ка ве
личину 0,5 В в присутствии І об.% водорода в воздухе при
текпературе 120С; такие структуры свободны от эффекта вс-
. пучивания и долговременного дрейфа. Время отклмка структуры
по "уровню 0,9" составляло I мин., время релаксации по
"уровню 0,1" - 1,5 мин. '
4. Экспериментальное подтверждение повышенной адгезии
пленок палладия, составляющей величину 15 Н/шг +5 Н/иг,
в результате которой плёнки не разрушаются при выдержке в I об.% водорода в воздухе при температуре 120С.
-
Из зависимости начальной скорости отклика структуры от температуры оценена энергия диссоциации молекулы водорода на поверхности палладия, которая составляет~ 0,4 оВ. ,
-
Разработанный и испытанный макет прибора на основе полученных ЫДП - структур для измерения концентрации водорода в воздухе от 10 до I об.%, прошедший успешные испытания на Балаковской АЭС при измерении взрывоопасных концентраций водорода, а также при измерении.динамики выделения водорода из коренных пород Земли в качестве одного из методов предсказания землетрясений.
Апробация работьи Основные материалы диссертации изложены в 6 публикащіях во всесоюзных и зарубежных журналах и сборниках..;
Материалы диссертации докладывались и сбсуадалпсь на слсдуюпіих совещаниях к конференциях:
I. На конференции "Датчики на основе технологии микроэлектроники" (г;-! Москва., 1909 г.), -"-''':
.'2. На III научно техническом семинаре по электронным
датчикам (г. Ужгород 1939 г.),. ..''.
,"3. На II-всесоюзной конференции по анализу иеоргани- !
ческих газов (г. Ленинград, ЛГУ» 1990 г.),
4. На У международной конференции Евросенсор (г. Рим, Италия, 1991 г.).
Структура и объём работу. Диссертационная работа состоит из зведення, пяти глав, выводов и списка цитируемой литературы из 56 наименований. Она содержит 75 страниц машинописного текста, в том числе 32 рисунка и I таблицу.