Способ изготовления датчика вакуума с наноструктурой повышенной чувствительности и датчик вакуума на его основе

Способ изготовления датчика вакуума с наноструктурой повышенной чувствительности и датчик вакуума на его основе

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при изготовлении датчиков вакуума для измерения давления разреженного газа в вакуумных установках различного назначения.

Известны датчики вакуума, содержащие проволочный резистор, выполняющий функции чувствительного элемента, и способы их изготовления [1, 2]. Известны датчики давления на основе нано- и микроэлектромеханических систем, содержащие тонкопленочный резистор, и способы их изготовления [3, 4]. Их общим недостатком является недостаточно высокая чувствительность в области низкого вакуума.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является способ изготовления датчика вакуума с применением полупроводниковой пленки и датчик вакуума на его основе [5]. Он заключается в том, что образуют гетероструктуру из различных материалов, в которой формируют тонкопленочный полупроводниковый резистор (который может быть наноструктурой), после чего ее закрепляют в корпусе датчика, а контактные площадки соединяют с выводами корпуса при помощи контактных проводников. Датчик вакуума, изготовленный таким способом, содержит корпус, тонкопленочный полупроводниковый резистор (который может быть наноструктурой), контактные площадки, контактные проводники, выводы корпуса.

Недостатком такого способа и датчика вакуума на его основе является относительно низкая чувствительность при измерении давлений в области низкого вакуума.

Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности датчика вакуума.

Это достигается тем, что в известном способе изготовления датчика вакуума с наноструктурой, заключающемся в том, что образуют гетероструктуру из различных материалов, в которой формируют тонкопленочный полупроводниковый резистор, после чего ее закрепляют в корпусе датчика, а контактные площадки соединяют с выводами корпуса при помощи контактных проводников, в соответствии с предлагаемым изобретением, тонкопленочный полупроводниковый резистор формируют в виде сетчатой наноструктуры (SiO₂)_20% (SnO₂)_80%; где 20% - массовая доля SiO₂, а 80% - массовая доля компонента SnO₂, путем нанесения золя ортокремниевой кислоты, содержащего гидроксид олова, на подложку из кремния с помощью центрифуги и последующим отжигом, который приготавливают в два этапа, на первом этапе смешивают тетраэтоксисилан (ТЭОС) и этиловый спирт (95%) в соотношении 1:1,046 при комнатной температуре и смесь выдерживают до 30 минут, затем на втором этапе в полученный раствор вводят дистиллированную воду в соотношении 1:0,323 соляную кислоту (HCl) в соотношении 1:0,05, двухводный хлорид олова (SnCl₂·2H₂O) в соотношении 1:0,399, где за единицу принят объем ТЭОС, и перемешивают не менее 60 минут, причем золь ортокремниевой кислоты наносят на подложку из кремния (Si) с помощью центрифуги с использованием дозатора при скорости вращения центрифуги 3000 об/мин в течение 2 минут, а отжиг осуществляют при температуре 600°C в течение 30 минут в воздушной среде.

При этом в датчике вакуума с наноструктурой, изготовленной по предлагаемому способу, содержащем корпус, установленную в нем гетерогенную структуру из тонких пленок материалов, образованную на подложке из полупроводника, тонкопленочный полупроводниковый резистор и контактные площадки к нему, сформированные в гетерогенной структуре, выводы корпуса и контактные проводники, соединяющие контактные площадки с выводами корпуса, в соответствии с предлагаемым изобретением, полупроводниковый резистор изготовлен в виде сетчатой наноструктуры на основе золя ортокремниевой кислоты, содержащего гидроксид олова, на подложке из кремния с помощью центрифуги и последующим отжигом, который приготовлен в два этапа, на первом этапе смешивался тетраэтоксисилан и этиловый спирт, а на втором этапе в полученный раствор вводились дистиллированная вода, соляная кислота (HCl) и двухводный хлорид олова (SnO₂·2H₂O), причем тетраэтоксисилан и этиловый спирт в соотношении 1:1,046, дистиллированная вода в соотношении 1:0,323, соляная кислота (HCl) в соотношении 1:0,05, двухводный хлорид олова (SnCl₂·2H₂O) в соотношении 1:0,399.

На фиг.1 показана конструкция датчика вакуума, который изготавливается по предлагаемым способам. Датчик вакуума содержит корпус 1 (фиг.1), гетерогенную структуру 2 (из тонких пленок материалов), в которой сформирован тонкопленочный полупроводниковый резистор 3 (наноструктура), контактные площадки 4, контактные проводники 5, выводы корпуса 6, штуцер 7, изоляторы 8, подложку 9 (из кремния).

Согласно предлагаемого способа золь ортокремниевой кислоты, содержащий гидроксид олова, приготавливают в два этапа для нанесения на подложку 9 из кремния (фиг.1). На первом этапе смешивают тетраэтоксисилан и этиловый спирт, смесь выдерживают до 30 минут, перед переходом ко второму этапу. Время выдержки установлено, исходя из времени протекания реакции обменного взаимодействия между тетраэтоксисиланом и этиловым спиртом, в результате которой образуется этиловый эфир ортокремневой кислоты. На втором этапе после введения дистиллированной воды, соляной кислоты (HCl) и двухводного хлорида олова (SnCl₂·2H₂O) смесь перемешивают не менее 60 минут. Время процесса установлено, исходя из времени протекания реакции гидролиза эфира, в результате которой образуется ортокремневая кислота. А также, исходя из того, что за это же время на этом этапе происходит образование гидроксида олова (Sn(OH)₂) и протекает реакция поликонденсации ортокремневой кислоты.

Золь ортокремневой кислоты, содержащий гидрооксид олова, наносят на подложку 9 (фиг.1) из кремния (Si) с помощью центрифуги с использованием дозатора при скорости вращения центрифуги 3000 об/мин в течение 2 минут. Использование таких режимов центрифуги позволяет достичь необходимой толщины, равномерности и сетчатой наноструктуры пленки (SiO₂)_20%(SnO₂)_80% (тонкопленочного полупроводникового резистора 3), а также частично удалить растворитель из этой пленки.

В качестве подложки из кремния (Si) могут быть использованы пластины кремния КЭФ (111) толщиной 200-300 мкм не окисленные, и окисленные промышленным способом в кислороде. Последние имеют окисный слой SiO₂, толщина которого около 800 нм.

Отжиг осуществляют при температуре 600°C в течение 30 минут в воздушной среде. Использование таких параметров процесса позволяет окончательно удалить растворитель из пор на поверхности и в объеме пленки, а также осуществить реакции по разложению ортокремневой кислоты (Si(OH)₄) до диоксида кремния (SiO₂) и гидроксида олова (Sn(OH)₄) до диоксида олова (SnO₂).

Наличие окисного слоя SiO₂ на поверхности подложки из Si не препятствует электрическому соединению тонкопленочного полупроводникового резистора 3 (фиг.1), выполненного в виде сетчатой наноструктуры (SiO₂)_20%(SnO₂)_80%, с полупроводниковой подложкой 9. При изготовлении контактных площадок 4 к такому резистору из Ag путем вжигания при температуре 600°C обеспечивается электрическое соединение тонкопленочного полупроводникового резистора 3 и подложки 9 в местах контактных площадок 4. То есть тонкопленочный полупроводниковый резистор 3 оказывается параллельно включенным полупроводниковому резистору, в качестве которого выступает полупроводниковая подложка 9. При этом тонкий окисный слой SiO₂ является одной из пленок материалов гетерогенной структуры 2 (фиг.1).

Датчик вакуума работает следующим образом. Тонкопленочный полупроводниковый резистор 3 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 (показания измерительного прибора устанавливают на нуль при начальном давлении, выбранном за точку отсчета).

При увеличении или уменьшении давления в корпусе датчика вакуума увеличивается или уменьшается (соответственно) количество молекул газа, которые участвуют в теплообмене. Если количество молекул газа уменьшается (вследствие уменьшения давления), уменьшается теплоотдача от гетерогенной структуры 2 и тонкопленочного полупроводникового резистора 3 (сформированного в ней). Их температура нагрева увеличивается, следовательно, уменьшается сопротивление тонкопленочного полупроводникового резистора 3 (сопротивление полупроводников уменьшается с повышением температуры).

Так как тонкопленочный полупроводниковый резистор 3 включают в мостовую измерительную цепь, то с изменением давления происходит ее разбаланс, который является функцией давления.

Поскольку тонкопленочный полупроводниковый резистор 3 изготовлен по предлагаемому способу в виде сетчатой наноструктуры (SiO₂)_20%(SnO₂)_80% на основе золя ортокремниевой кислоты, содержащего гидроксид олова, на подложке из кремния, то с уменьшением давления в сетчатой наноструктуре (SiO₂)_20%(SnO₂)_80% происходит процесс десорбции газов, в частности, кислорода, приводящий к уменьшению сопротивления тонкопленочного полупроводникового резистора 3. Дополнительное приращение к изменению сопротивления резистора повышает чувствительность в диапазоне низкого вакуума.

Сетчатая наноструктура (SiO₂)_20%(SnO₂)_80% представляет собой зерна диоксида олова (SnO₂), заключенные в диэлектрическую матрицу диоксида кремния (SiO₂), размер которых соизмерим с размерами области пространственного заряда (длинной экранирования Дебая). Наличие в такой сетке захваченных из окружающей среды атомов газа, в частности, кислорода, уменьшает размер областей пространственного заряда, зоны их перекрытия и тем самым препятствует перемещению электрических зарядов по сетке. При десорбции препятствие для перемещения электрических зарядов по сетке устраняется, и проводимость растет (сопротивление уменьшается).

На фиг.2 представлены зависимости относительного изменения сопротивления (R/R₀) полупроводникового резистора 3 от давления (f): кривая 1 - кремний (Si), кривая 2 - 80% SnO₂. Видно, что при наличии сетчатой наноструктуры (SiO₂)_20%(SnO₂)_80% (кривая 2) относительное изменение сопротивления при том же давлении значительно больше, чем при ее отсутствии (кривая 1). Соответственно, чувствительность датчика вакуума с тонкопленочным полупроводниковым резистором в виде сетчатой наноструктурой (SiO₂)_20%(SnO₂)_80% значительно выше, чем просто из кремния (Si). Кроме того, проводились экспериментальные исследования сетчатых наноструктур (SiO₂)_50%(SnO₂)_50%, которые показали, что наноструктуры (SiO₂)_20%(SnO₂)_80% обладают существенно большей чувствительностью, чем (SiO₂)_50%(SnO₂)_50%.

На фиг.3 представлена морфология поверхности тонкопленочного полупроводникового резистора 3, полученная с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ), при массовой доле диоксида олова (SnO₂) - 80%.

Дополнительное приращение к изменению сопротивления тонкопленочного полупроводникового резистора 3 (фиг.1), повышающее чувствительность в диапазоне низкого вакуума, подтверждается результатами экспериментальных исследований сетчатой наноструктуры (SiO₂)_20%(SnO₂)_80%, которые представлены на фиг.2.

Кроме того, исследовалось влияние непроницаемого покрытия, наносимого на тонкопленочный полупроводниковый резистор. На фиг.4 представлены зависимости относительного изменения сопротивления (R/R₀) тонкопленочного полупроводникового резистора в виде сетчатой наноструктуры (SiO₂)_20%(SnO₂)_80% от давления (P): кривая 1 - тонкопленочный полупроводниковый резистор закрыт непроницаемым покрытием (тонким слоем парафина), кривая 2 - открыт. Видно, что когда сетчатая наноструктура (SiO₂)_20%(SnO₂)_80% открыта, резко возрастает чувствительность к изменению давления. Это свидетельствует о включении дополнительного механизма - десорбции, увеличивающего чувствительность датчика вакуума.

Благодаря отличительным признакам изобретения повышается чувствительность датчика вакуума.

В результате испытаний экспериментальных образцов датчиков вакуума, изготовленных в соответствии с формулой изобретения, установлено, что датчики позволяют значительно повысить чувствительность.

Предлагаемый способ изготовления датчика вакуума и датчик вакуума на его основе выгодно отличаются от известных и могут найти широкое применение при изготовлении датчиков вакуума.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. А.с. СССР №1285327, МПК G01L 21/12 Теплоэлектрический вакуумметр / Тихонов А.И., Васильев В.А., Тельпов С.Е. // Бюл. №3 от 23.01.1987 г.

2. А.с. СССР №1420407, МПК G01L 21/12 Теплоэлектрический преобразователь давления / Васильев В.А., Тельпов С.Е., Тихонов А.И., Горбачева А.В. // Бюл. №32 от 30.08.1988 г.

3. Патент РФ№2398195, МПК G01L9/04, B82B 3/00 Способ изготовления нано- и микроэлектромеханической системы датчика давления и датчик давления на его основе / Белозубов Е.М., Васильев В.А., Чернов П.С. // Бюл. №24 от 27.08.2010 г.

4. Патент РФ№2430342, МПК G01L 9/00 Полупроводниковый датчик давления с частотным выходным сигналом / Васильев В.А., Громков Н.В., Москалев С.А. // Бюл. №27 от 27.09.2011 г.

5. Булыга А.В. Полупроводниковые теплоэлектрические вакуумметры. (Библиотека по автоматике, выпуск 177). - М. - Л.: Изд-во Энергия, 1966. - С.115-116.

Способ изготовления датчика вакуума с наноструктурой повышенной чувствительности, заключающийся в том, что образуют гетероструктуру из различных материалов, в которой формируют тонкопленочный полупроводниковый резистор, после чего ее закрепляют в корпусе датчика, а контактные площадки соединяют с выводами корпуса при помощи контактных проводников, отличающийся тем, что тонкопленочный полупроводниковый резистор формируют в виде сетчатой наноструктуры (SiO ₂ ) _20% (SnO ₂ ) _80% , где 20% - массовая доля SiO ₂ , а 80% - массовая доля компонента SnO ₂ , путем нанесения золя ортокремниевой кислоты, содержащего гидроксид олова, на подложку из кремния с помощью центрифуги и последующим отжигом, который приготавливают в два этапа, на первом этапе смешивают тетраэтоксисилан (ТЭОС) и этиловый спирт (95%) в соотношении 1:1,046 при комнатной температуре и смесь выдерживают до 30 мин, затем на втором этапе в полученный раствор вводят дистиллированную воду в соотношении 1:0,323, соляную кислоту (HCl) в соотношении 1:0,05, двухводный хлорид олова (SnCl ₂ ·2H ₂ O) в соотношении 1:0,399, где за единицу принят объем ТЭОС, и перемешивают не менее 60 мин. 2. Датчик вакуума с наноструктурой повышенной чувствительности, изготовленный по п.1, содержащий корпус, установленную в нем гетерогенную структуру из тонких пленок материалов, образованную на подложке из полупроводника, тонкопленочный полупроводниковый резистор и контактные площадки к нему, сформированные в гетерогенной структуре, выводы корпуса и контактные проводники, соединяющие контактные площадки с выводами корпуса, отличающийся тем, что полупроводниковый резистор изготовлен в виде сетчатой наноструктуры на основе золя ортокремниевой кислоты, содержащего гидроксид олова, на подложке из кремния с помощью центрифуги и последующим отжигом, который приготовлен в два этапа, на первом этапе смешивался тетраэтоксисилан и этиловый спирт, а на втором этапе в полученный раствор вводились дистиллированная вода, соляная кислота (HCl) и двухводный хлорид олова (SnCl ₂ ·2H ₂ O), причем тетраэтоксисилан и этиловый спирт в соотношении 1:1,046, дистиллированная вода в соотношении 1:0,323, соляная кислота (HCl) в соотношении 1:0,05, двухводный хлорид олова (SnCl ₂ ·2H ₂ O) в соотношении 1:0,399.