Введение к работе
C^T ^-3
Актуальность темы. Для обеспечения безопасной жизнедеятельности персонала на химических, горнодобывающих, металлургических и других объектах, а также в быту и для проведения экологического мониторинга окружающей среды необходимо применение датчиков токсичных и взрывоопасных газов. Подобные устройства должны обеспечивать выборочную реакцию на определенные компоненты газовой среды, обладать высокой надежностью и воспроизводимостью результатов. Сенсорные элементы таких систем должны обладать максимально высокой чувствительностью, избирательностью, стабильностью свойств и технологичностью в производстве. В случае охранной и предупредительной сигнализации газовые датчики также должны обладать миниатюрностью для скрытности, низким энергопотреблением для увеличения срока автономности и устойчивостью к механическим воздействиям.
Наличие таких приборов, например датчиков утечки бытового газа, в каждом доме повышает безопасность жизни человека.
Среди всего многообразия газовых датчиков наиболее полно предъявленным требованиям удовлетворяют полупроводниковые датчики на основе широкозонных полупроводников, из которых Sn02 (диоксид олова) исторически наиболее популярен.
Один из первых промышленно изготовленных газовых датчиков был сконструирован и изготовлен японским ученым Тагучи (Taguchy) в 60-х годах прошлого века. Датчики этого типа изготавливаются по толстопленочной технологии. Главными недостатками данных конструкций в противовес простоте изготовления являются высокое энергопотребление, а также нетехнологичность в производстве.
Несмотря на то что подобные изделия до сих пор изготавливаются и находят применение, наиболее перспективными для использования являются датчики, изготовленные по микроэлектронной технологии. При этом за счет применения хорошо отработанных, высокотехнологичных процессов может достигаться массовость, стабильность и воспроизводимость параметров газовых датчиков (ГД), низкая себестоимость изделий.
В этой связи вопросы разработки микроэлектронной технологии изготовления полупроводникового ГД, обеспечения стабильности электрических и механических свойств элементов, входящих в конструкцию ГД, являются актуальными.
Цель работы. Разработка микроэлектронной технологии изготовления тонкопленочных датчиков газов, изготовление макетных образцов датчиков во взрывозащитном исполнении и проведение испытаний, подтверждающих оп-
, РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ
J БИБЛИОТЕКА і
тимальность технологии их изготовления.
Для достижения поставленной цели в диссертации следовало решить следующие задачи:
-
Разработать технологию изготовления датчиков газа с металлизацией на основе различных материалов. Изготовить макетные образцы датчиков газа во взрывозащитном исполнении и исследовать их газочувствительные свойства.
-
Провести анализ и экспериментальные исследования тепловых потерь в конструкциях газовых датчиков. Определить вклад различных видов тепловых потоков в общие тепловые потери конструкции.
-
Исследовать устойчивость макетов датчиков газа к механическим воздействиям в соответствии с ГОСТ 20.57.406-81 "Изделия электронной техники, квантовой электроники и электротехнические. Методы испытаний".
-
Разработать испытательный стенд и провести исследования стабильности свойств элементов конструкции газовых датчиков под воздействием энергоциклов и в условиях длительной работы под нагрузкой.
Научная новизна.
-
Разработана технология изготовления датчиков газа с платиновой и нихро-мовой системами металлизации с использованием технологических операций производства СВЧ транзисторов и метода взрывной фотолитографии для нанесения сенсорной пленки Sn02.
-
Получены данные по газовой чувствительности макетных образцов газовых датчиков во взрывозащитном исполнении и тепловым потерям в газовых датчиках.
-
Показано, что применение специального компаунда для монтажа кристалла в корпус улучшает механическую прочность конструкции газового датчика, при этом практически не увеличивая тепловые потери.
-
Установлена длительность переходных тепловых процессов при импульсном режиме нагрева газовых датчиков. Показана высокая стабильность свойств элементов конструкции газового датчика с платиновой системой металлизации при длительной эксплуатации в импульсном и непрерывном режимах работы.
Практическая значимость.
-
Технология и маршрут изготовления кристалла газового датчика совместимы с маршрутом серийного производства СВЧ транзисторов.
-
Разработана технология сборки датчиков газа во взрывозащитном исполнении с использованием стандартного оборудования в корпуса интегральных схем, позволяющая снизить энергопотребление изделия и обеспечить устойчивость конструкции к механическим нагрузкам.
-
Проведены исследования устойчивости газовых датчиков к механическим
воздействиям и стабильности свойств элементов конструкции в реальных условиях эксплуатации. 4. Разработана электрическая схема и конструкция испытательного стенда для проведения испытаний макетных образцов датчиков газа на стабильность их параметров под воздействием энергоциклов и в условиях длительной работы под нагрузкой.
Положения, выносимые на защиту.
-
Технология изготовления газового датчика, адаптированная к технологии серийного производства СВЧ транзисторов и соответствующая требованиям взрывозащиты.
-
Газочувствительные свойства макетных образцов газовых датчиков.
-
Расчетные и экспериментальные данные по исследованию механизмов тепловых потерь при статическом и импульсном режимах электропитания.
-
Экспериментальные данные по исследованию устойчивости макетных образцов газовых датчиков к механическим воздействиям и стабильности свойств датчиков газа в реальных условиях эксплуатации.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и научно - технических семинарах: I Всероссийской конференции "Физико - химические процессы в конденсированном состоянии и на межфазных границах "ФАГРАН 2002" (Воронеж, 2002); IV Научно - технической конференции "Электроника и информатика 2002" (Москва, 2002); Научно - практической конференции Союза металловедческих обществ России "Новые функциональные материалы и экология" (Москва, 2002); XV Научно - технической конференции с участием зарубежных специалистов "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления" (Москва, 2003); XVI Научно - технической конференции с участием зарубежных специалистов "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления" (Москва, 2004); XXI Международной конференции "Релаксационные явления в твердых телах" (Воронеж, 2004).
Публикации. По материалам исследований опубликовано 13 работ.
В совместных работах автору принадлежит проведение и обработка результатов экспериментальных исследований, разработка технологических маршрутов изготовления газового датчика, разработка методик испытаний макетных образцов датчиков газа, выполнение теоретических расчетов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения. Работа изложена на 123 страницах текста, включая 6 таблиц, 38 иллюстраций и список использованной литературы из 68 наименований.
Данная работа выполнялась по госбюджетной теме кафедры полупровод-
никовой электроники ВІТУ: ГБ 2001-34 "Изучение технологических и физических процессов в полупроводниковых материалах, структурах и приборах", а также в соответствии с программой гранта РФФИ 03-02-96453 "Моделирование процессов взаимодействия токсичных газов с нанокристаллическими пленками микроэлектронных сенсоров" и фанта Т0201.5-397 "Полупроводниковые оксидные пленки, нанокомпозиты для микроэлектронных датчиков газа".
