Технология изготовления диэлектрических мембранных конструкций для формирования чувствительных элементов датчиков концентрации газа

• Автор: Веселов, Денис Сергеевич
• Шифр специальности: 05.27.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 151 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЙ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ПРИНЦИПЫ ДЕЙСТВИЯ И КОНСТРУКЦИИ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ДАТЧИКОВ КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗА

1.1 Введение

1.2 Основные термины и их определения

1.3 Современные требования к средствам

анализа газообразных сред

1.4 Принцип действия и классификация

датчиков концентрации газа

1.5 Чувствительные элементы датчиков концентрации газа

1.6 Конструкции чувствительных элементов,

их характеристики и способы формирования
1.7 Выводы к первой главе
ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЛЁНОК
2.1 Введение
2.2 Проектирование в системах Зупорэуэ ТСАО
2.3 Постановка задачи моделирования
2.4 Модель мембранной конструкции, параметры моделирования
2.5 Моделирование распределения температуры на мембране из 8Ю2
2.6 Моделирование распределения температуры на мембране из 8цН|
2.7 Моделирование распределения температуры на
четырёхслойной мембране из БЮг и Б1 зN4
2.8 Сравнение полученных результатов моделирования
2.9 Исследование процессов формирования мембранных плёнок
2.10 Выводы ко второй главе
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ
АНИЗОТРОПНОГО ТРАВЛЕНИЯ КРЕМНИЯ
3.1 Введение
3.2 Формирование маскирующего термического окисления кремния
3.3 Поиск растворов для исследования травящих свойств

3.4 Исследование процессов травления
в водных растворах гидроокиси калия
3.5 Исследование процессов травления в водных
растворах гидроокиси тетраметиламмония
3.6 Исследование процессов травления в
растворах этилендиамина и пирокатехина
3.7 Выводы к третьей главе
ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МЕМБРАННОЙ КОНСТРУКЦИИ ДЛЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ДАТЧИКОВ КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗА
4.1 Введение
4.2 Расположение изображений фотошаблонов
4.3 Комплект фотошаблонов для формирования рельефа в подложке
4.4 Комплект фотошаблонов для слоев металлизации
4.5 Выводы к четвёртой главе
ГЛАВА 5. ФОРМИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ГРУППОВОГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МЕМБРАННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
5.1 Введение
5.2 Устройство защиты при химическом травлении
5.3 Устройство стабилизации температуры и концентрации травителя
5.4 Последовательность технологических операций группового
изготовления диэлектрических мембранных конструкций
5.5 Исследование полученных мембранных конструкций
5.6 Выводы к пятой главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
ПРИЛОЖЕНИЕ 3
ПРИЛОЖЕНИЕ 4
ПРИЛОЖЕНИЕ 5

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы.
Важнейшим критерием безопасности в современных промышленных и бытовых условиях, в условиях добычи полезных ископаемых и переработки сырья является осуществление постоянного сбора информации о химическом составе газообразных сред и своевременное выявление опасных концентраций токсичных и взрывоопасных газов. Для этих целей разработано множество различных датчиков концентрации газа, ключевыми элементами которых являются чувствительные элементы (ЧЭ). Непосредственное взаимодействие датчиков с исследуемой средой обеспечивает чувствительный слой (ЧС), формируемый на конструктивном основании ЧЭ. Именно ЧС во многом определяет характеристики датчиков и эффективность анализа газообразных сред в целом.
Для анализа газообразных сред широкое применение получили датчики, в которых измерение концентрации газа сопровождается предварительным нагревом ЧС, избирательно ускоряющим процессы, протекающие на поверхности и в объёме ЧС. Нагрев ЧС позволяет улучшить такие характеристики датчиков, как чувствительность, селективность и быстродействие за счёт получения температурных диапазонов измерения концентраций газов, в которых молекулы определяемых газов обладают наибольшей химической активностью по отношению к материалам ЧС. Рабочая температура ЧС для каждой комбинации материал ЧС - определяемый газ подбирается индивидуально и может достигать 1000°С. На возможность достижения высоких температур ЧС решающее влияние оказывает его теплообмен с окружающей средой через конструкцию ЧЭ. Отличительной особенностью конструкций ЧЭ таких датчиков является наличие нагревательного элемента и теплоизолирующей структуры, определяющей энергопотребление датчика и возможность его длительной эксплуатации от автономного источника питания [1-7].
Существует множество различных методов теплоизоляции ЧС, одним
из которых является использование подвесного монтажа ЧЭ за проволочные

имуществам которой перед конструкциями ЧЭ на основе жидких электролитов является относительная простота и доступность групповой технологии изготовления. В конструкции ЧЭ присутствует нагревательный элемент, располагающийся на обратной стороне подложки, и не используются какие-либо решения, направленные на теплоизоляцию ЧС от подложки, поэтому датчики концентрации газа на основе таких конструкций чаще всего применяется в автомобилестроении для определения концентрации О2, реже 802. Такие датчики обычно располагаются в выхлопной системе автомобиля в условиях высоких температур, а нагревательный элемент используется для того, чтобы при необходимости незначительно её повысить до оптимального уровня для
Рис. 1.1. Структура ЧЭ датчика концентрации газа на твердом электролите: 1 - подложка; 2 - электролит; 3 - электрод сравнения; 4 - рабочий электрод; 5,9 - электрические выводы; 6 - защитное покрытие; 7 - отверстие для подвода исследуемого газа; 8 -нагревательный элемент.
Известна теплоизолирующая конструкция ЧЭ датчика концентрации газа представленная на рис. 1.2 и выполненная на кремниевой подложке при помощи глубокого анизотропного травления. Изолирующий слой 8Ю2 получен реактивным магнетронным распылением. Для формирования таких конструкций пригодна групповая технология изготовления, но без специальных средств защиты лицевой стороны подложек со сформированными ЧС от контакта с раствором травителя проведение анизотропного травления неприемлемо, так как в процессе травления ЧС при контакте с травителем будет отравлен. Формирование ЧС после анизотропного травления нетехнологично. Технология изготовления подобных конструкций совместима, как с тонкоплёночными, так и с толстоплёночными технологиями формирования ЧС, но
только при формировании ЧС до анизотропного травления кремния. Конст-

проведения измерения [2,3].