RU2030738C1 - Sensor of gas analyzer - Google Patents
Sensor of gas analyzer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2030738C1 RU2030738C1 SU5028380A RU2030738C1 RU 2030738 C1 RU2030738 C1 RU 2030738C1 SU 5028380 A SU5028380 A SU 5028380A RU 2030738 C1 RU2030738 C1 RU 2030738C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sensor
- gas
- layer
- heater
- silicon
- Prior art date
Links
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 24
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims abstract description 12
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 claims abstract description 12
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims abstract description 12
- 230000007423 decrease Effects 0.000 claims abstract description 10
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 9
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 9
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 9
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 15
- 229910021426 porous silicon Inorganic materials 0.000 claims description 14
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 14
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 7
- 238000009413 insulation Methods 0.000 claims description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 229920001296 polysiloxane Polymers 0.000 abstract 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 20
- 239000010408 film Substances 0.000 description 9
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 4
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 4
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N Fluorane Chemical compound F KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N tin dioxide Chemical compound O=[Sn]=O XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910006404 SnO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 1
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000004868 gas analysis Methods 0.000 description 1
- 238000009828 non-uniform distribution Methods 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 1
- 230000009897 systematic effect Effects 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к приборостроению, а именно к области газового анализа и контроля состава окружающей среды. The invention relates to instrumentation, and in particular to the field of gas analysis and environmental control.
Известен полупроводниковый датчик газоанализатора, содержащий керамическую подложку-корпус с нагревателем, на поверхности которой находятся два электрода с нанесенной между ними полупроводниковой пленкой оксида металла [1]. Known semiconductor sensor gas analyzer containing a ceramic substrate-housing with a heater, on the surface of which are two electrodes deposited between them a semiconductor film of metal oxide [1].
Чаще всего в качестве полупроводникового газочувствительного слоя используют пленки диоксида олова SnO2 с различными легирующими добавками, обеспечивающими селективность датчика к определенным газам при конкретных значениях рабочей температуры. Принцип работы полупроводникового датчика основан на регистрации изменений проводимости слоя оксида металла при адсорбции на его поверхности атомов или молекул детектируемого газа. Недостаток известной конструкции датчика газоанализатора в том, что его функционирование в рабочих (для данного вида анализируемого газа) режимах связано с высоким энергопотреблением (≥ 1 Вт), обусловленным непроизводительными затратами на нагревание всего объема керамической подложки-корпуса.Most often, SnO 2 tin dioxide films with various dopants are used as a semiconductor gas-sensitive layer, which provide the selectivity of the sensor to certain gases at specific operating temperature values. The principle of operation of a semiconductor sensor is based on recording changes in the conductivity of a metal oxide layer upon adsorption of atoms or molecules of a detected gas on its surface. A disadvantage of the known design of the gas analyzer sensor is that its operation in operating (for this type of analyzed gas) modes is associated with high energy consumption (≥ 1 W) due to unproductive expenses for heating the entire volume of the ceramic substrate-casing.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому служит конструкция датчика газоанализатора, содержащего кремниевую подложку с отверстием, покрытым с рабочей стороны датчика мембраной - тонкой пленкой диоксида кремния, на которой последовательно расположены пленочный нагреватель, слой диэлектрической изоляции, газочувствительный слой, а также токопроводящие контакты к нагревателю и газочувствительному слою [2]. Достоинство этой конструкции датчиков газоанализаторов - низкое энергопотребление (< 1 Вт). Из-за высокого теплового сопротивления между активной областью, содержащей газочувствительный слой, и корпусом (кремниевой подложкой) практически вся подводимая к нагревателю энергия расходуется на обеспечение заданной температуры газочувствительного слоя, что и обуславливает существенное снижение мощности резистивного нагревателя. Непроизводительные потери энергии последнего связаны лишь с нагревом имеющих низкую теплопроводность пленки диоксида кремния и воздушного столба в отверстии, изготовленном в кремниевой подложке. Недостаток описанного датчика в том, что наличие тонкой мембраны из диоксида кремния значительно снижает механическую прочность всей конструкции в целом. Это, во-первых, приводит к уменьшению выхода годных датчиков на этапе их приготовления из-за высокой вероятности разрушения мембраны, во-вторых, снижает надежность функционирования датчика в процессе эксплуатации, когда систематическое или случайное воздействие механических и термических упругих напряжений при достижении критической величины также способно разрушить мембрану. The closest in technical essence to the proposed one is the design of a gas analyzer sensor containing a silicon substrate with an aperture covered by a membrane on the sensor’s working side — a thin film of silicon dioxide, on which a film heater, a dielectric insulation layer, a gas-sensitive layer, and conductive contacts to the heater are arranged in series and gas sensitive layer [2]. The advantage of this design of gas analyzer sensors is its low power consumption (<1 W). Due to the high thermal resistance between the active region containing the gas-sensitive layer and the body (silicon substrate), almost all the energy supplied to the heater is spent on providing the set temperature of the gas-sensitive layer, which leads to a significant decrease in the power of the resistive heater. The unproductive energy losses of the latter are associated only with the heating of a film of silicon dioxide and an air column having a low thermal conductivity in an opening made in a silicon substrate. The disadvantage of the described sensor is that the presence of a thin membrane of silicon dioxide significantly reduces the mechanical strength of the entire structure as a whole. This, firstly, leads to a decrease in the yield of suitable sensors at the stage of their preparation due to the high probability of membrane destruction, and secondly, it reduces the reliability of the sensor during operation when systematic or random exposure to mechanical and thermal elastic stresses when a critical value is reached also capable of destroying the membrane.
Технический эффект от использования изобретения заключается в увеличении механической прочности датчиков. The technical effect of using the invention is to increase the mechanical strength of the sensors.
Это достигается тем, что в датчике газоанализатора, содержащем кремниевую подложку со сквозным отверстием, покрытым с рабочей стороны датчика мембраной из диоксида кремния, на которой последовательно расположены пленочный нагреватель, слой диэлектрической изоляции, газочувствительный полупроводниковый слой, а также токопроводящие контакты к нагревателю и газочувствительному слою, отверстие в подложке заполнено окисленным пористым кремнием, концентрация пор в котором от границы раздела с мембраной линейно уменьшается по глубине отверстия от 60 до 20%. This is achieved by the fact that in the sensor of the gas analyzer containing a silicon substrate with a through hole covered on the working side of the sensor with a silicon dioxide membrane on which a film heater, a dielectric insulation layer, a gas-sensitive semiconductor layer, as well as conductive contacts to the heater and gas-sensitive layer are arranged , the hole in the substrate is filled with oxidized porous silicon, the pore concentration of which linearly decreases from the interface with the membrane in depth Hours from 60 to 20%.
Повышение механической прочности предлагаемой конструкции по сравнению с известными, во-первых, связано с увеличением толщины слоя, обладающего высоким тепловым сопротивлением (мембрана из диоксида кремния плюс слой окисленного пористого кремния с линейно изменяющейся концентрацией пор), и во-вторых, обусловлено снижением уровня внутренних механических напряжений в системе вследствие компенсации растягивающих подложку напряжений от мембраны из диоксида кремния напряжениями от слоя окисленного пористого кремния, заполняющего отверстие по толщине кремниевой подложки. Эффективность компенсации напряжений повышается также из-за того, что на больших расстояниях от границы раздела с мембраной концентрация пор в окисленном пористом кремнии снижается. The increase in the mechanical strength of the proposed design compared to the known ones is, firstly, due to an increase in the thickness of a layer with high thermal resistance (a silicon dioxide membrane plus a layer of oxidized porous silicon with a linearly changing pore concentration), and secondly, due to a decrease in the level of internal mechanical stresses in the system due to compensation of tensile stresses of the substrate from the silicon dioxide membrane by stresses from the layer of oxidized porous silicon filling the hole thickness across the silicon substrate. The stress compensation efficiency is also increased due to the fact that at large distances from the interface with the membrane, the pore concentration in oxidized porous silicon decreases.
На чертеже представлен датчик газоанализатора. The drawing shows the sensor of the gas analyzer.
Он содержит кремниевую подложку 1 с отверстием, заполненным окисленным пористым кремнием 2 и контактирующим с мембраной из обычного (плотного) диоксида кремния 3, на которой последовательно расположены пленочный резистивный нагреватель 4, слой диэлектрической изоляции 5, газочувствительный полупроводни- ковый слой 6, и токопроводящие контакты 7 к нагревателю 4 и газочувствительному слою 6. Толщина слоя окисленного пористого кремния в отверстии 2 может быть меньшей или равной толщине подложки, необходимо лишь, чтобы концентрация пор в этом слое линейно уменьшалась по глубине от границы раздела с мембраной от величины 60 до 20%. It contains a silicon substrate 1 with a hole filled with oxidized
Изготавливают предлагаемый датчик газоанализатора следующим образом. В исходной кремниевой подложке с нерабочей стороны путем анодной обработки в электролитах на основе фтористоводородной кислоты формируют локальные слои пористого кремния на глубину, меньшую толщины подложки на величину толщины слоя диоксида кремния в случае, если его получают термическим окислением, или равную толщине подложки при использовании других методов осаждения мембраны. Неоднородность распределения концентрации пор в пористом кремнии по глубине создают путем изменения плотности тока, протекающего через электролитическую ячейку. Так, для получения линейно изменяющегося по глубине профиля концентрации пор от 20 до 60% плотность тока по мере образования пористого кремния увеличивают от 17-20 до 160-180 мА/см2.Make the proposed sensor of the gas analyzer as follows. On the non-working side of the original silicon substrate, local layers of porous silicon are formed by anodic treatment in electrolytes based on hydrofluoric acid to a depth less than the thickness of the substrate by the thickness of the silicon dioxide layer if it is obtained by thermal oxidation, or equal to the thickness of the substrate using other methods membrane deposition. The heterogeneity of the distribution of pore concentration in porous silicon in depth is created by changing the density of the current flowing through the electrolytic cell. So, to obtain a linearly varying pore concentration profile from 20 to 60%, the current density is increased from 17-20 to 160-180 mA / cm 2 as porous silicon is formed.
После этого осуществляют окисление структуры с пористым кремнием термическим способом в атмосфере влажного (для ускорения процесса) кислорода. Пленку диоксида кремния на рабочей стороне создают либо одновременно с окислением пористого кремния, используя при этом доокисление в сухом кислороде для уплотнения пленки, либо пиролитическим окислением. На дальнейших этапах используют стандартные технологические приемы для формирования нагревателя, диэлектрической и газочувствительной пленок, контактов с финишным разделением пластины на отдельные кристаллы-датчики. After that, the structure with porous silicon is oxidized by the thermal method in an atmosphere of moist oxygen (to accelerate the process). A silicon dioxide film on the working side is created either simultaneously with the oxidation of porous silicon, using additional oxidation in dry oxygen to seal the film, or pyrolytic oxidation. At further stages, standard technological methods are used to form a heater, dielectric and gas-sensitive films, and contacts with the final separation of the plate into separate sensor crystals.
Эксперименты показали следующее. The experiments showed the following.
1. При одинаковой толщине слоя однородного окисленного пористого кремния механическая прочность структур повышается по мере снижения пористости, однако при этом увеличивается мощность, потребляемая нагревателем для поддержания постоянной температуры. При концентрации пор 20% и ниже потребляемая мощность при температурах, близких к 650К достигает 630 мВт. С увеличением концентрации пор до 60-70% мощность снижается до 200 мВт. Однако при этом в 6-8 раз уменьшается механическая прочность структур. 1. With the same thickness of a layer of homogeneous oxidized porous silicon, the mechanical strength of structures increases as porosity decreases, however, the power consumed by the heater to maintain a constant temperature increases. At a pore concentration of 20% or lower, the power consumption at temperatures close to 650K reaches 630 mW. With an increase in pore concentration up to 60-70%, the power decreases to 200 mW. However, the mechanical strength of the structures decreases by a factor of 6–8.
2. В случае неоднородного распределения концентрации пор по глубине слоя окисленного пористого кремния наибольшая механическая прочность (≈ 318 МПа) и минимальная потребляемая нагревателем мощность (≅ 207 мВт) зафиксирована при условии, что вблизи мембраны из диоксида кремния концентрация пор составляет 60%, а вблизи обратной, нерабочей стороны датчика - 20%. 2. In the case of a non-uniform distribution of the pore concentration over the depth of the layer of oxidized porous silicon, the highest mechanical strength (≈ 318 MPa) and the minimum power consumed by the heater (≅ 207 mW) are fixed provided that the pore concentration is 60% near the silicon dioxide membrane, and near the back, non-working side of the sensor - 20%.
3. Обнаруженные закономерности в пределах экспериментальных погрешностей остаются справедливыми при распределении концентрации по линейному и нелинейным (квадратичный, экспоненциальный) законам изменения профиля по глубине, из которых первый наиболее легко технически реализуется на практике. 3. The discovered patterns within the experimental errors remain valid when the concentration is distributed according to the linear and nonlinear (quadratic, exponential) laws of profile variation in depth, of which the first is most easily technically implemented in practice.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU5028380 RU2030738C1 (en) | 1992-02-24 | 1992-02-24 | Sensor of gas analyzer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU5028380 RU2030738C1 (en) | 1992-02-24 | 1992-02-24 | Sensor of gas analyzer |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2030738C1 true RU2030738C1 (en) | 1995-03-10 |
Family
ID=21597410
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| SU5028380 RU2030738C1 (en) | 1992-02-24 | 1992-02-24 | Sensor of gas analyzer |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2030738C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2189034C2 (en) * | 2000-04-19 | 2002-09-10 | Открытое акционерное общество "Авангард" | Device measuring concentration of oxido-reduction components in gas mixture |
| RU2522362C1 (en) * | 2012-12-29 | 2014-07-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (МГТУ им. Н.Э. Баумана) | Microelectromechanical isochoric fuse |
| RU2522323C1 (en) * | 2012-12-29 | 2014-07-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) | Microelectromechanical fuse |
-
1992
- 1992-02-24 RU SU5028380 patent/RU2030738C1/en active
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 1. Виглеб Г. Датчики. - М.: Мир, 1989, с.99-103. * |
| 2. Евдокимов А.В. и др. Микроэлектронные датчики химического состава газов, Зарубежная электронная техника, 1988, N 2, с.6-9. * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2189034C2 (en) * | 2000-04-19 | 2002-09-10 | Открытое акционерное общество "Авангард" | Device measuring concentration of oxido-reduction components in gas mixture |
| RU2522362C1 (en) * | 2012-12-29 | 2014-07-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (МГТУ им. Н.Э. Баумана) | Microelectromechanical isochoric fuse |
| RU2522323C1 (en) * | 2012-12-29 | 2014-07-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) | Microelectromechanical fuse |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Lloyd et al. | Natural convection adjacent to horizontal surface of various planforms | |
| Bauerle | Study of solid electrolyte polarization by a complex admittance method | |
| US4441968A (en) | Method of manufacture of an electric humidity detecting sensing element | |
| EP0807818A2 (en) | Method for measuring nitrogen oxide | |
| JP3272215B2 (en) | NOx sensor and NOx measuring method | |
| US3915830A (en) | Solid electrolyte electrochemical cell with self contained reference | |
| JPH09113484A (en) | Method and apparatus for measuring specific gas component in gas to be measured | |
| JPH021539A (en) | Heating type oxygen sensor | |
| JPS634660B2 (en) | ||
| EP1340067B1 (en) | Thin film ppb oxygen sensor | |
| US6179989B1 (en) | Electrical and chemical treatment of an oxygen sensor | |
| JPH08122287A (en) | Measuring device and method of concentration of gas component | |
| RU2030738C1 (en) | Sensor of gas analyzer | |
| Gagnon | The Triangular Voltage Sweep Method for Determining Double‐Layer Capacity of Porous Electrodes: IV. Porous Carbon in Potassium Hydroxide | |
| EP0216977B1 (en) | Method and device for determining oxygen in gases | |
| EP0766085B1 (en) | Electrochemical device | |
| Kojima et al. | Interpretation of the Impedance Properties of the Anode‐Surface Film in the Electropolishing of Copper in Phosphoric Acid | |
| GB2087569A (en) | Oxygen sensor element having thin layer of stabilized zirconia sintered on substrate | |
| Takikawa et al. | Characteristics of the Na/beta-alumina/Na cell as a sodium vapor pressure sensor | |
| JPH0518938A (en) | Treatment of electrochemical element | |
| US6888109B2 (en) | Heating device | |
| JP3106971B2 (en) | Oxygen sensor | |
| Madou et al. | Multilayer ionic devices fabricated by thin-and thick-film technologies | |
| RU2102735C1 (en) | Solid gas sensor | |
| JPH0618292Y2 (en) | Oxygen sensor with heater |