УДК 681.586'33.621.3.049.77
ВАКУУМНЫЕ ДАТЧИКИ С НАНОСТРУКТУРОЙ НА ОСНОВЕ SiO2—SnO2 И SiO2—SnO2—In2O31
VACUUM SENSORS WITH NANOSTRUCTURES BASED ON SiO2—SnO2 AND SiO2—SnO2—In2O3
Аверин Игорь Александрович
д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой E-mail: micro@pnzgu.ru
2) Мошников Вячеслав Алексеевич
д-р физ.-мат. наук, профессор E-mail: vamoshnikov@mail.ru
Игошина Светлана Евгеньевна
канд. физ.-мат. наук, доцент E-mail: sigoshina@mail.ru
Пронин Игорь Александрович
аспирант
E-mail: pronin_i90@mail.ru
1) Карманов Андрей Андреевич
аспирант
E-mail: starosta07km1@mail.ru
1) Пензенский государственный университет, г. Пенза
2) Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ"
им. В. И. Ульянова (Ленина), Санкт-Петербург
Аннотация: Описаны устройство и принцип работы вакуумных датчиков с наноструктурой на основе SiO2—SnO2 и SiO2—SnO2—1П2О3. Экспериментально установлено, что чувствительность данных вакуумметров зависит от количественного состава наноструктур. Показано, что массовая доля диоксида олова косвенным образом (за счет изменения общей пористости) влияет на относительное изменение сопротивления чувствительных элементов датчиков вакуума. Использование трехкомпонентных наностуктур на основе SiO2—SnO2—MexOy вместо двухкомпонентных на основе SiO2—SnO2 позволяет расширить возможности управления чувствительностью датчиков вакуума на основе наноматериалов. Ключевые слова: датчики вакуума, наноструктуры, золь-гель технология, десорбция газов, пористые оксидные материалы.
1) Averin Igor A.
D. Sc. (Tech.), Professor, Head of Department E-mail: micro@pnzgu.ru
2) Moshnikov Vyacheslav A.
D. Sc. (Phys. Math.), Professor E-mail: vamoshnikov@mail.ru
1) Igoshina Svetlana E.
Ph. D. (Phys. Math.), Associate Professor E-mail: sigoshina@mail.ru
1) Pronin Igor A.
Postgraduate
E-mail: pronin_i90@mail.ru
1) Karmanov Andrey A.
Postgraduate
E-mail: starosta07km1@mail.ru
1) Penza State University, Penza city
2)
Saint Petersburg Electrotechnical University
"LETI", Saint Petersburg
Abstract: A device and principle of operation of vacuum sensors based on nanostructured SiO2—SnO2 and SiO2—SnO2—In2O3 are described. It was established experimentally that the sensitivity of the vacuum sensors depends on the quantitative composition of the nanostructures. The mass fraction of tin dioxide indirectly (by changing the total porosity) affect the relative change in resistance of the sensing element of vacuum sensors is shown. The using of ternary-component nanostructures based on SiO2—SnO2—MexOy instead two-component nanostructures based on SiO2—SnO2 allows greater control over the sensitivity of vacuum sensors based on na-nomaterials is shown.
Keywords: vacuum sensors, nanostructures, sol-gel technology, desorption of gases, porous oxide materials.
ВВЕДЕНИЕ
Для измерения вакуума используется множество разнообразных устройств, в основе работы которых лежат различные физические явления
1 Работа выполнена при финансовой поддержке со стороны Минобрнауки России в рамках базовой части государственного задания ПГУ № 2014/151 (код проекта 117), стипендии Президента РФ СП-4686.2013.1, а также госзадания СПбГЭТУ "ЛЭТИ" № 16.2112.2014/К (проектная часть).
(ионизация молекул разряженного газа, деформация упругой мембраны, зависимость ЭДС термопары от измеряемого давления и т. д.). Известные датчики вакуума не полностью удовлетворяют предъявляемым к ним требованиям, что зачастую приводит к необходимости создания устройств с взаимоисключающими характеристиками (например, сверхвысокая чувствительность при сверхмалых массогабаритных размерах). В связи с этим
20
Sensors & Systems • № 6.2015
не прекращается совершенствование существующих вакуумметров и разработка новых, использующих другие материалы или физические явления [1].
Относительно недавно начались попытки создания датчиков вакуума на основе наноструктур, в которых проявляются те или иные размерные эффекты. Так, авторами работы [2] были предложены измерители вакуума на основе углеродных нанотрубок (УНТ). Структура предлагаемого датчика включала три слоя: эмиттер, прокладку и анод. В качестве подложек для электронных эмиттеров использовались пластины сильно легированного кремния n-типа проводимости. На подложки осаждались пленки Ti, а затем с помощью электронного пучка на титановый слой наносилась 10-нанометровая пленка железа, служащая катализатором для роста УНТ методом химического осаждения из газовой фазы (Chemical vapor deposition, CVD).
Прокладка для изоляции представляла собой стекло пирекс толщиной 500 мкм, в котором методом "sand blast" была осуществлена гравировка, чтобы открыть доступ воздуха. Анод изготавливался из сильно легированного n-Si. Было показано, что при некотором критическом давлении (3-10-2 торр при 500 В и 1-10-2 торр при 1000 В) происходит резкое возрастание эмиттерного тока за счет образования вторичных электронов при столкновениях с молекулами остаточных газов. Необходимо отметить, что предложенный измеритель имеет узкий рабочий диапазон давлений от 10 до 10 торр, кроме того для его функционирования необходим высоковольтный (500...1000 В) источник напряжения.
В работе [3] сообщалось о создании вакуумметров на основе наноструктур оксида цинка с n-типом проводимости. Массив нанопроволок из ZnO выращивался из порошка Zn, термически испаренного в кварцевом реакторе горизонталь-
—3
ного типа. Показано, что при давлениях 1-10 ; 6,7-10—3; 8,2-10-4; 9,5-10-5 мбар ток, текущий через наноструктуру, составляет 8,71; 28,1; 46,1; 89,6 нА, а ее сопротивление соответственно равно 1150; 356; 217 и 112 МОм. Рабочий диапазон давления предложенного вакуумметра составляет 10 ...10 мбар, причем его сопротивление изменяется линейно при логарифмическом давлении.
Основываясь на результатах работы [3], предложен вакуумметр на базе нанопроволок ZnO с
р-типом проводимости [4]. Нанопроволоки выращивались электроосаждением из водного раствора в электрохимической ячейке с двумя электродами. Показано, что ток, протекающий через наноструктуры 2п0 с р-типом проводимости в изготовленном вакуумметре, с повышением давления линейно возрастает в полулогарифмических координатах. В диапазоне давлений 1...100 кПа значение протекающего тока изменяется на один порядок.
Активно развивается нанотехнологическое направление, связанное с созданием датчиков вакуума на основе нано- и микроэлектромеханических систем (НиМЭМС). Так, в работе [5] предложен вакуумметр термобатарейного типа на основе мультипроцессорного МЭМС чипа. Изготовление такого вакуумметра осуществлялось по технологии, аналогичной созданию датчиков давления пьезорезистивного типа. Две термобатареи, состоящие из 30 пленочных термопар, располагались на кремниевой мембране слева и справа от нагревательного элемента, который изготавливался либо из А1, либо из р^. Горячие концы термопар соответственно нагревались, а холодные контактировали с молекулами остаточных газов. Было
—3 5
показано, что в диапазоне давлений 10 ...10 Па ЭДС термобатарей изменяется от 56,5 до 53,5 В.
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА
В данной статье рассматривается способ изготовления и конструкция датчиков вакуума с наноструктурой на основе SiO2—SnO2 и 8Ю2— 8пО2-1п2Оз, принцип работы которых основан на десорбции остаточных газов.
Наноструктуры, применяемые в качестве чувствительных элементов предлагаемых вакуумметров, синтезированы золь-гель методом [6, 7]. Использовались пленкообразующие золи на основе следующих компонентов: тетраэток-сисилан ^(ОС2И5)ф ТЭОС), этиловый спирт, дистиллированная вода, соляная кислота в качестве катализатора, а также в качестве легирующих компонентов — олово двухлористое двух-водное ^пС12 -2^0) и 4,5-водный нитрат индия (1п^0з)з'4,5Н20). Массовую долю допантов подбирали исходя из выполнения двух условий: 1) формирование ультратонкой кремнеземной сетки (матрицы) с внедренными модификаторами (гетеротатомами олова и индия) по типу
"гость—хозяин" [8]; 2) образование проводящего кластера, пронизывающего весь объем наноструктур [9].
Золь наносился на подложки из окисленного монокристаллического кремния размером 5x5 мм методом центрифугирования при скорости вращения столика 4000 об./мин. Отжиг осуществлялся при температуре 600 °С в течение 30 мин в воздушной среде. Планарные серебряные контактные площадки формировались методом термического испарения в вакууме.
Количественный состав чувствительных элементов вакууметров с наноструктурой на основе 8Ю2-5п02 и 8Ю2-5п02—1п20з задавался исходя из массовой доли соответствующих легирующих компонентов (предполагалось, что на этапе отжига его изменения не происходит). Для датчиков вакуума с наноструктурой на основе 8Ю2—5п02 массовую долю диоксида олова варьировали в диапазоне от 50 до 90 %, а для датчиков с наноструктурой на SiO2—SnO2—In2Oз принимали постоянной и равной 50 %, при этом содержание оксида индия составляло 5 % [10—12]. Изучение морфологии поверхности чувствительных элементов проводилось с помощью атомно-сило-вой микроскопии [13].
Датчики вакуума помещались в вакуумную камеру промышленной установки УВН-71П3. Измерение их сопротивления проводилось с помощью мультиметра Ма81ееИ MS8229. Давление внутри вакуумной камеры фиксировалось откалиброван-
ным манометрическим термопарным преобразователем ПМТ-2.
Конструкция предлагаемого датчика вакуума представлена на рис. 1. Он содержит: корпус 1; чувствительный элемент 2, представляющий собой наноструктуру 3 на основе SiO2—SnO2 или SiO2—SnO2—In2Oз, сформированную на подложке 9; контактные площадки 4; контактные проводники 5; выводы корпуса 6; штуцер 7; изоляторы 8; основание для крепления чувствительного элемента 10.
Чувствительный элемент 3 датчика вакуума при помощи выводов корпуса 6 включают в мостовую измерительную цепь (мост) в качестве одного из ее плеч. С помощью подстроечного резистора (на рисунке не показан) мост балансируют (показание измерительного прибора устанавливают на нуль при начальном давлении, выбранном за точку отсчета). Так как чувствительный элемент включен в мостовую измеритель
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.