Конструкция, технология и теплофизические свойства кристаллов датчиков газов в микроэлектронном исполнении

• Автор: Викин, Олег Геннадьевич
• Шифр специальности: 05.27.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Воронеж
• Количество страниц: 146 с. : ил.

Глава 1 Твердотельные датчики газов
1.1 Влияние адсорбции газов на электрические свойств широкозонного полупроводника
1.2 Физические свойства пленок металлооксидных полупроводников, типа диоксида олова, оксида цинка и методы их получения
1.3 Конструкция толстопленочных датчиков газов
1.4 Конструкции тонкопленочных датчиков Выводы
Глава 2 Разработка конструкции и технологии изготовления газовых датчиков
2.1 Выбор конструкции и расчет элементов топологии
2.2 Расчет конструкции газового датчика
2.3 Анализ свойств тонких пленок из №Сг применительно (ф к конструкции газового датчика
2.4 Исследование влияния режимов термостабилизационного отжига на свойства элементов конструкции газовых датчиков
2.5 Исследование прочности сварных соединений внутренних выводов ГС А1 - №Сг 50/50%
2.6 Технологические схемы изготовления газовых датчиков
Выводы
Глава 3 Тепловая модель газового сенсора
3.1 Тепловые характеристики элементов датчика
3.2 Анализ тепловых потерь кристалла газового датчика в статическом режиме
3.3 Расчет распределения температуры по поверхности кристалла кремния.
3.4 Зависимость температуры датчика от времени
3.5 Объекты и методика исследования распределения температуры по кристаллу газового сенсора
3.6 Экспериментальные исследования теплофизических свойств газовых датчиков Выводы
Глава 4 Полуавтоматический пороговый индикатор регистрации уровней концентрации токсичных газов в окружающей атмосфере
4.1 Термообработка и газовый отклик пленок БпОг
4.2 Назначение и принцип действия прибора
4.3 Устройство порогового индикатора
4.4 Порядок работы.
Выводы
Заключение
Список литературы

Актуальность темы. Автоматизация промышленности, в особенности сложных и опасных технологических процессов, остро нуждается в средствах, позволяющих получить информацию о составе газовых сред. Подобные устройства должны обеспечивать выборочную реакцию на определенные компоненты среды, обладать высокой надежностью и воспроизводимостью результатов. Современное развитие научной мысли предоставляет множество способов и методик для реализации данной проблемы, поэтому, как правило, решающим и определяющим критерием выбора является объем затрат на создание и эксплуатацию необходимого оборудования. В случаях, когда требуется сверхточное измерение и контроль, например в опасных производствах или в условиях специализированных лабораторий, вопрос о стоимости и габаритах средств измерения не так актуален. Однако находится множество случаев, когда требуются миниатюрные, дешевые, простые в использовании и обслуживании системы, пригодные для использования в любых условиях, от систем кондиционирования воздуха внутри жилых помещений до систем безопасности на складах и хранилищах. Сенсорные элементы таких систем должны обладать максимально высокой чувствительностью, избирательностью, стабильностью свойств и технологичностью в производстве. В случае охранной и предупредительной сигнализации приборы также должны обладать миниатюрностью для скрытности и низким энергопотреблением для увеличения срока автономности. Наличие таких приборов, например датчиков утечки бытового газа, в каждом доме повышает безопасность и качество жизни.
Среди всего многообразия газовых сенсоров наиболее полно предъявленным требованиям удовлетворяют так называемые полупроводниковые сенсоры на основе широкозонных полупроводников, таких как гпО, У2(>5, 1п20з, СоО, М{£), из которых 8п02 (диоксид олова)
проводящих электрический ток и тепло, таких как платина, золото, алюминий. Поэтому чтобы снизить утечку тепла необходимо уменьшать сечение проволок и выбирать компромисс между уменьшением величины рассеиваемой мощности и механической прочностью монтажа. Вторая задача заключается в надежной фиксации кристалла в корпусе во время приварки выводов так, чтобы потом можно было легко его освободить и вывеси из теплового контакта с корпусом. В работе /53/ авторы предлагают фиксировать кристалл перед приваркой проволочных выводов при помощи вакуума через отверстие в днище корпуса (см. рис. 1.16., отверстие под кристаллом). Весьма остро стоит проблема обеспечения механической прочности и устойчивости полученного прибора при ударах и вибрации, так материалы проволочных выводом являются весьма мягкими и пластичными.
Несмотря на то, что существует несколько различных конструкций полупроводниковых датчиков газов и большое количество их модификаций, в общем все они имеют в своем составе сходные конструктивные элементы, такие как электроды к чувствительному слою, нагреватель и измеритель температуры (термометр).
Электроды к чувствительному слою создаются для измерения электрических свойств последнего. Авторы работы /1/ выделяют три основных типа электродов: плоская система, "тандем", "сендвич" (рис. 1.17)
Каждая система обладает своими достоинствами и недостатками. Плоская система с большим расстоянием между электродами наиболее пригодна для пленок с малым поверхностным сопротивлением для получения достаточно большого общего сопротивления датчика.
Система "тандем" применяется, наоборот, в случае высокого поверхностного сопротивления пленки. "Сэндвич" используется достаточно редко, в основном, при измерении изменения емкости в среде газа.
Верхний электрод выполняется достаточно тонким, газопроницаемым, и может быть использован как своего рода фильтр, пропускающий к