Сенсоры водорода
ОПТИМИЗАЦИЯ ТОПОЛОГИИ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДАТЧИКА ГАЗОВ С УЧЕТОМ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПО КРИСТАЛЛУ
С. И. Рембеза, Д. Б. Просвирин, О. Г. Викин1, Г. А. Викин1, В. А. Буслов1
ВГТУ, Московский просп., Воронеж, 14, Россия, e-mail: strem@ns1.vstu.ac.ru 1 ГП НИИЭТ, Ленинский проспект 119-а, Воронеж, Россия, e-mail: vesta@vmail.ru
Автоматизация промышленности, в особенности сложных и опасных технологических процессов, таких как получение, хранение и транспортировка водорода, остро нуждается в средствах, позволяющих получить информацию о составе газовых сред. Сенсорные элементы таких систем должны обладать максимально высокой чувствительностью, избирательностью, стабильностью свойств и технологичностью в производстве.
Основной задачей работы является исследование распределения температуры от нагревателя по площади кристалла разработанного газового сенсора с целью оптимизации конструктивных решений и режимов функционирования, направленных на достижение максимально равномерного нагрева.
Конструкция исследуемого газового сенсора представляет собой прямоугольный кристалл термически окисленного кремния толщиной 0,4 мм (рис. 1а). На кристалле сформированы платиновые меандры (1), которые могут выступать в роли нагревателя или термосопротивления, и встречно-штыревые электроды (2), на которые тем или иным способом наносится газочувствительная пленка SnO2 (3), к контактным площадкам (4) привариваются соединительные проволочные выводы.
Для изготовления газового сенсора использовались стандартные для современного полупроводникового производства технологические процессы.
Проблема теплоизоляции кристалла датчика от корпуса была решена таким образом, что после приварки выводов кристалл остаётся в подвешенном состоянии на проволочных выводах [1].
Как видно из рис. 1а, в предшествующей топологии нагреватель и чувствительный элемент находятся в одной плоскости и пространственно разнесены. Вследствие этого при нагревании может наблюдаться градиент температуры, который приводит к погрешности измерения, так как не вся площадь газочувствительного слоя находится в оптимальных температурных условиях.
Для измерения температуры поверхности кристалла датчика бесконтактным способом был использован прибор для определения температуры микроскопических объектов по их инфракрасному излучению — ИК-микропирометр 14 КИ1-001, который имеет следующие характеристики: диаметр контролируемой области — 50 мкм, диапазон измерений 50^250 0С, точность измерения 1 0С. Данный метод хорош тем, что не вносит возмущений в образующуюся картину распределения тепла, является неразрушающим и позволяет с высокой точностью определить температуру практически любой точки поверхности кристалла. Результаты исследований распределения тепла по поверхности кристалла датчика (рис. 1а) представлены на рисунке 2.
а)
б)
Рис.1. Предшествующая (а) и новая (б) топология кристалла сенсора (масштаб не соблюден)
^АЕЕ Специальный выпуск (2003)
Второй международный симпозиум «Безопасность и экономика водородного транспорта»
IFSSEHT-2003
Температура, °С
250-,
245-
240-
235
230
225
220
215
Рис. 2. Картина распределения тепла по поверхности кристалла датчика (рис. 1а) при нагреве только одним меандром (а) и при нагреве с обеих сторон (б). Температура в центре нагревателей одинакова
Как видно из рис. 2а, при нагреве одним нагревателем до 250 0С (что в два раза меньше, чем температура, требуемая для десорбции) разность температур достигает 25 0С, что весьма существенно. Как показала экстраполяция полученных данных, величина разности температур с увеличением температу-
ры нагревателя растет почти линейно и при 500 0С достигает 85 0С. При нагреве с обеих сторон разность температур составляет несколько градусов и почти не изменяется с повышением температуры нагревателей. Потребляемая мощность в этом случае несколько увеличивается и составляет 1,09 Вт при 250 0С на нагревателе по сравнению с 0,91 Вт для нагрева с одной стороны. Одним из факторов, вызывающих наблюдаемое увеличение градиента, можно считать температурную зависимость теплопроводности кремниевой подложки от температуры [2], которая сильно уменьшается с ростом температуры с 150 Вт/(м-К) при 20 0С до 45 Вт/(м-К) при 500 0С. Распределение температуры по кристаллу не зависит от способа нагрева, так как при постоянном и при импульсном режиме питания величина разности температур на кристалле определяется только величиной подводимой электрической мощности.
С учетом полученных данных была разработана новая топология кристалла сенсора, в которой единственный меандр (служащий одновременно нагревателем и термосопротивлением) расположен таким образом, что находится в непосредственной близости от газочувствительной области и охватывает её с трех сторон (рис.1б). Для определения температуры греющий ток прерывается на достаточно короткие интервалы времени, во время которых производится измерение сопротивления меандра.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке гранта МО РФ Т02-02.2-3484.
Список литературы
1. С. И. Рембеза, Д. Б. Просвирин, О. Г. Викин, Г. А. Викин, В. А. Буслов. Технологические схемы изготовления микроэлектронных датчиков газов//Тезисы докладов IV международной научно-технической конференции «Электроника и информатика-2002». МИЭТ. Москва. Россия. 19-21 ноября 2002 г., С. 342-343.
2. Захаров А. Л., Асвадурова Е. И. Расчет тепловых параметров полупроводниковых приборов: Метод эквивалентов. М.: Радио и связь, 1983. 184 с.
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.