УДК 621.3.049.774:535.2/.3
ИССЛЕДОВАНИЯ СТАБИЛЬНОСТИ ХАРАКТЕРИСТИК ИНТЕГРАЛЬНЫХ СЕНСОРОВ ВОДОРОДА И ВЛИЯНИЯ НА НИХ СВЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Б.И. Подлепецкий, М.Ю. Никифорова, C.B. Гумеиюк, A.B. Коваленко
В статье представлены экспериментальные результаты исследования воздействия светового излучения на метрологические характеристики, а также стабильности характеристик интегральных сенсоров водорода при долговременной эксплуатации.
В последние годы большое внимание уделяется разработкам сенсоров с применением микро- и нанотех-нологий, которые позволяют получать миниатюрные, надежные и дешевые датчики, приборы и микросистемы [1]. В частности, такая тенденция просматривается и в области создания средств измерения концентраций газов. К настоящему времени разработаны разные типы твердотельных "газовых" сенсоров: резисторные на основе металл-оксидных и органических полупроводников, электрохимические на основе металлических или полупроводниковых ионоселективных электродов и твердых электролитов, массочувствительные пьезокристал-лические микровесы и сенсоры на основе ПАВ. Многие последние разработки выполнены с применением технологии интегральных микросхем с целью интеграции первичных преобразователей, нагревателей, термосенсоров и других элементов датчиков на одной подложке. Для создания интегральных сенсоров и измерительно-информационных микросистем на одном кристалле перспективными считаются такие первичные преобразователи, технология изготовления которых совместима с технологией интегральных микросхем (например, резисторы, диоды, диоды Шоттки, МДП-конденсато-ры, биполярные и МДП-транзисторы). Для водородо-содержащих газов, как показали предварительные исследования, в качестве чувствительного элемента наилучшим является МДП-транзистор с палладиевым затвором.
На кафедре микроэлектроники МИФИ разработаны и исследуются интегральные полупроводниковые сенсоры водородосодержащих газов (водорода, метана, сероводорода, аммиака). На сегодняшний день наиболее исследованными с точки зрения принципов работы и метрологических характеристик являются интегральные сенсоры концентрации водорода ИДВ-3. Такие сенсоры представляют собой кремниевый кристалл размером 2x2 мм2, на котором расположены водородочувст-вительные элементы (МДП-транзистор с палладиевым затвором и палладиевый тонкопленочный резистор), нагреватель в виде диффузионного резистора и тестовый МДП-транзистор с алюминиевым затвором.
Для изготовления сенсоров использовалась стандартная интегральная полупроводниковая яМДП-тех-нология. Физический принцип работы такого датчика заключается в изменении порогового напряжения МДП-транзистора и в результате увеличения положительного заряда в структуре Рс1—диэлектрик—полупроводник под действием газообразного водорода, абсорбированного в тонком слое (30...50 нм) палладиевой пленки. С ростом концентрации водорода положитель-
ный заряд в МДП-структуре увеличивается по нелинейному закону. Чувствительность таких сенсоров зависит от температуры чипа (в данных сенсорах температура кристалла обычно поддерживается в пределах 125...130 °С). Результаты предварительных экспериментальных исследований метрологических характеристик таких сенсоров опубликованы в работах [2—6], в которых показано, что разработанные сенсоры характеризуются низким порогом чувствительности (< 10 ррш), высоким быстродействием (т < 10 с на уровне 0,5 отклика при 100 ррш), малой потребляемой мощностью (< 0,15 Вт) и широким рабочим диапазоном (10...20 000 ррш).
Такие сенсоры могут быть основой датчиков и малогабаритных приборов для измерения малых концентраций водородосодержащих газов при экологическом контроле промышленных и бытовых зон, а также использоваться в средствах обеспечения взрывобезопас-ности и пожаробезопасности на атомных и тепловых электростанциях, в производственных зонах предприятий по созданию и хранению ядерного топлива, а также в системах обслуживания реактивных двигателей на водородном топливе. Однако для их практического применения необходимо провести исследования эксплуатационной воспроизводимости характеристик сенсоров, их долговременной стабильности и влияния на них внешних побочных факторов (радиации, светового излучения и др.).
В данной работе показаны результаты экспериментальных исследований эксплуатационной воспроизводимости (стабильности) параметров отклика сенсоров, подверженных воздействиям водорода различных концентраций, которые показаны на рис. 1, и влияния светового излучения на характеристики сенсоров. Датчики помещались в схему, позволяющую измерять напряжение на затворе 1/3 = I/водородочувствительного элемента сенсора в режиме постоянного тока стока. В этом случае при токах, меньших тока стока насыщения, изменение напряжения равно изменению порогового напряжения на затворе. Исследуемые сенсоры были подвержены шести последовательным впускам (Н) и выпускам (К) постоянной концентрации водорода М, затем эксперимент повторялся для других значений N. Длительность импульсов концентрации составляла величину порядка 50 с, а время между напусками — 200 с.
Типичные зависимости величины отклика, времен нарастания и спада сигнала для N = 1000 ррш и N = = 2000 ррш представлены на рис. 2. Как показали экспериментальные исследования, разбросы значений параметра г| = (А1/п + ] — Аип)/А11п лежат в пределах
Датчики и Системы • № 6.2001_ 29
Рис. 1. Типичный отклик и его основные параметры
Рис. 2. Экспериментальные зависимости исследования стабильности параметров отклика:
кривые: 1 — Д/с при N = 1000 ррт; 2 — А/с при N = 2000 ррт; 3 - Д/ф при N = 1000 ррт; 4 - Д/ф при N = 2000 ррт; 5 — г| при N = 1000 ррт; 6 — ц при N = 2000 ррт; 7— 51/ при N = = 1000 ррт; 8—81/ при N = 2000 ррт
2...11 %, параметра А/ф = (At^n + ]•) — At^ )/Л/ф — 15...25 %,
параметра А1С= (At"+l — At")/At" — 14...35%, параметра стабильности 8U = 8U/AUв пределах 0...5 %. При этом наблюдалось улучшение стабильности с ростом концентрации водорода. Наилучшую воспроизводимость имеет параметр стабильности 8U, а наихудшая воспроизводимость соответствует времени заднего фронта. Разброс величин откликов относительно их среднего значения находится в диапазоне от 35% (для концентрации 1000 ррш) до 47% (для концентрации 4000 ррш).
Качественные зависимости результатов исследования влияния света на параметры отклика представлены на рис. 3, где Р — мощность светового потока. В качестве источника светового излучения использовалась обычная лампа накаливания мощностью 100 Вт, а изменение мощности света регулировалось расстоянием от источника до кристалла. Влияние светового излучения исследовалось для датчика при включенном нагревателе (температура подложки 130 °С) и выключенном нагревателе (комнатная температура). Действие светового излучения приводит к резкому изменению начального значения выходного напряжения сенсоров Щ (в сторону положительных напряжений), которое может достигать значений величины отклика. Замечено также, что с ростом мощности светового потока значение AUq возрастает. Кроме того, воздействие светового излучения приводит к уменьшению водородной чувствительности, а также к повышению быстродействия сенсоров (особенно по переднему фронту отклика). Причем при комнатной температуре подложки быстродействие сенсора под действием света выше в 1,5 раза, чем при температуре кристалла 130 °С. Изменение начального напряжения Uq составляет примерно 20% от начального значения при выключенном нагревателе и 15% при включенном.
Была исследована воспроизводимость характеристик интегральных сенсоров водорода с палладиевым затвором при их долговременной эксплуатации. Исследуемыми параметрами являлись величина (амплитуда), времена фронтов и параметр нестабильности AU, а расчетными параметрами чувствительность S при различных концентрациях водорода, передаточная характеристика U = f(N). Сенсор подвергался пяти последовательным напускам водорода концентрации 500, 1000 и 2000 ррш до тех пор, пока был явно (в пределах погрешности) наблюдаем его отклик. Затем датчик отжигался в течение 15 мин при температуре 350 °С и процедура повторялась. В ходе эксплуатации времена фронтов увеличивались (быстродействие падало), а амплитуда отклика уменьшалась. Оказалось, что после хранения сенсоров при комнатной температуре в течение одного месяца, время, в течение которого наблюдался его отклик у большинства датчиков, было 7...10 сут. Если же датчик отжигался непосредственно перед использованием, то отклик можно было наблюдать в течение 15...20 сут. Однако, некоторые датчики можно эксплуатировать в заданном диапазоне концентраций и в течение 60...90 сут.
Таким образом, экспериментальные исследования показали, что из-за разброса параметров отклика при многократном использовании сенсоров относительная статическая погрешность измерения концентрации может достигать 10%, а погрешность оценки быстродействия сенсоров по переднему фронту до 25% и по заднему фронту до 35%. Следовательно, чувствительность сенсоров — более воспроизводимый параметр, чем их
Рис. 3. Результаты исследования влияния светового излучения на параметры отклика
30 _ Sensors & Systems • № 6.2001
быстродействие. Воздействие светового излучения повышает быстродействие сенсоров и приводит к изменению начального значения выходного сигнала сенсора (появлению погрешности нуля). Поэтому при эксплуатации данных сенсоров водорода рекомендуется измерять изменение выходного сигнала AU, а также учитывать погрешность, связанную с их эксплуатационной нестабильностью. Анализ экспериментальных результатов позволяет сделать вывод о необходимости отжига сенсоров с целью их более длительной эксплуатации, а также принципиальной возможности использовать некоторые сенсоры с длительным сроком эксплуатации (более 90 сут.).
ЛИТЕРАТУРА
1. Подлепецкий Б. И. Интегральные полупроводниковые сенсоры. Состояние и перспективы разработок // CHIP NEWS. 1998. № 5.
2. Podlepetsky В.I., Gumenjuk S.V., Fomenko S. Sensitivity and stability of the integrated hydrogen sensors based on PD-resis-tor and MIS-FETs with various gate and insulator materials // Proceedings of Eurosensors
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.