Подложки, применяемые для сенсоров газов

В качестве подложек, на которые наносятся ГЧМ, могут использоваться кремниевые пластины, кварцевые, стеклянные подложки с толщиной 0,4-2,0 мм. В последнее время востребованными стали также положки на основе окисленного тонколистового алюминия.

Рис.8. Топологическая структура сенсора (1 - контактные металлические площадки, 2 - пленка ГЧМ, 3 - пленка диэлектрика (если подложка не является диэлектриком), 4- подложка)

 

Достоинством кремниевых пластин в качестве подложек для ГЧМ является их доступность, высокая чистота обработки поверхности и возможность их использования при высоких до 300-400⁰С рабочих температурах. К числу достоинств также следует также отнести отработанные технологические операции по изменению профиля пластин кремния с целью формирования на нерабочей стороне тонких (несколько десятков микрометров) мембран. В дальнейшем, на мембрану, но уже с рабочей стороны, наносится пленка ГЧМ. Последнее позволяет резко снизить инерционность сенсоров.

Недостатком использования кремниевых подложек является их дороговизна и низкая теплопроводность 109 Вт/(м•К).

Стеклянные подложки могут использоваться на этапе отработки технологии получения ГЧМ, так как являются недорогим, но хрупким материалом. Возможно использование стеклянных подложек с нанесенными на них пленками ГЧМ для измерения физико-химических свойств последних с помощью рентгеновских методов исследования вещества. Более перспективны в этом отношении применение кварцевых подложек на основе стекла КУ-1. Кварц обладает хорошей пропускающей способностью в ультрафиолетовом диапазоне оптических длин волн, поэтому его можно использовать для измерения ширины запрещенной зоны получаемых пленок ГЧМ. Однако кварц, как и стекло, обладает хрупкостью, он также является дорогостоящим материалом и его теплопроводность достаточна низка.

В последнее время в качестве подложки для пленок ГЧМ часто используется подложки из поликристаллического оксида алюминия – поликора.

На рис. 9 представлена одна из таких конструкций.

 

Рис. 9. Поликоровая подложка для газового сенсора.

 

Устройство изготавливалось следующим образом. Сначала с обратной стороны подложки плазмохимическим травлением вытравливалась полость таким образом, чтобы оставалась мембрана толщиной около 20 мкм. К сожалению, было невозможно использовать какие бы то ни было стоп-слои, и травление останавливалось по истечении определенного времени. Из-за этого точность изготовления мембраны была невысокой.

После изготовления мембраны лазером вырезался рисунок, изображенный на рис. 9. В центральной части напылялся платиновый нагреватель и наносился толстопленочный газочувствительный слой.

Так как теплопроводность монолитного поликора, из которого изготавливалось это устройство, велика, мощность, потребляемая сенсором, составляла около 100 мВт. Очень большая трудоемкость изготовления этого устройства привела к тому, что практически его использовать не удалось.

В последнее время, часто используются подложки из алюминия со сфорированнымна его поверхности оксидом алюминия. Технология получения пленок Al₂O₃ на Al хорошо отработана. Алюминий является недорогим материалом с хорошим коэффициентом теплопроводности - 209 Вт/(м•К). Тонкая пленка оксида алюминия (несколько микрометров) является хорошим диэлектриком, с другой стороны она практически не препятствует передачи тепла от нагревателя, расположенного на нерабочей стороне сенсора, к пленке ГЧМ с целью нагрева последней до рабочих температур.

В работах использованы конструкции сенсоров на основе подвешенных миниатюрных кремниевых элементов. Подвешенный микронагреватель изготавливался травлением пластины кремния. Внешний вид микронагревателя представлен на рис. 10. На нагреватель наносится ГЧМ в виде пасты, который, в дальнейшем, отжигается.

а) б)

Рис. 10. SEM микрофотография подвешенных микронагревателей, образующих две пары рабочих и сравнительных элементов (а). SEM-микрофотография подвешенного микронагревателя с платиновым нагревателем (б).

 

Достоинством таких конструкций является низкая потребляемая мощность сенсора и очень низкая тепловая инерция. При рабочей температуре около 450⁰C микронагреватель потребляет около 18 мВт. Время теплового отклика миконагревателя с нанесенным чувствительным слоем на ступенчатое изменение напряжения составляло около 3 мс.

Как правило, все имеющиеся в продаже сенсоры газа размещаются в корпусах типа ТО-8 или ТО-5. На рис. 11 представлен внешний вид сенсора метана TGS 2610 фирмы Figаro.

 

Рис. 11. Сенсор TGS 2610 фирмы Figaro.