Сенсорные МДП-элементы для полупроводниковых интегральных водородочувствительных датчиков тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.05, кандидат технических наук Никифорова, Марина Юрьевна

• Никифорова, Марина Юрьевна
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Никифорова, Марина Юрьевна

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СЕНСОРЫ КОНЦЕНТРАЦИЙ ГАЗОВ.

1.1. Состояние разработок интегральных сенсоров для измерения концентраций газов.

1.1.1. Резисторные и резисторно-ёмкостные сенсоры.

1.1.2. Каталитические и электрохимические сенсоры.

1.1.3. Массочувствительные сенсоры.

1.1.4. Сенсоры на основе МДП-структур и диодов Шотки.

1.1.5. Оптические и оптоволоконные датчики.

1.2. Перспективы создания и области применения новых приборов на основе интегральных газовых сенсоров.

Выводы.

Глава 2. АНАЛИЗ ФИЗИЧЕСКИХ МЕХАНИЗМОВ ВОДОРОДНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ НА ОСНОВЕ СТРУКТУРЫ МЕТАЛЛ-ДИЭЛЕКТРИК-ПОЛУПРОВОДНИК

2.1. МДП-структурас палладиевым затвором.

2.1.1. Упрощенная модель.

2.1.2. Термодинамическая модель.

2.1.3. Модель изменения работы выхода в металле.

2.2. МДП-транзистор с палладиевым затвором.

2.2.1. МДП-транзистор.

2.2.2. Уточнение физико-математической модели работы МДП-транзисторных газочувствительных элементов на основе экспериментальных данных.

2.2.3. Чувствительность к водороду МДП-транзисторного сенсорного элемента с двухслойным диэлектриком.

Выводы.

Глава 3. КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ ВОДОРОДА.

3.1. Интегральные датчики водорода серии ИДВ-1.

3.2. Интегральные датчики водорода серии ИДВ-2.

3.3. Интегральные датчики водорода серии ИДВ-3.

3.4. Маршрут технологического цикла изготовления датчиков серии

ИДВ-3.

Выводы.

Глава 4. МЕТОДИКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СЕНСОРНЫХ МДП-ТРАНЗИСТОРНЫХ И РЕЗИСТОРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ.

4.1. Параметры отклика и метрологические характеристики сенсорных элементов.

4.2. Измерительный стенд для проведения исследований параметров отклика.

4.3 Общая методика проведения измерений параметров отклика с МДП-транзисторных сенсорных элементов интегрального датчика водорода.

4.47 Влияние на метрологические характеристики МДП-транзисторных водородочувствительных элементов технологических отжигов и газовых тренировок.

4.5. Влияние электрического режима, температуры кристалла и временного дрейфа на параметры отклика МДП-транзисторного водородочувствительного элемента с палладиевым затвором.

Выводы.

Глава 5. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК МДП-ТРАНЗИСТОРНЫХ И РЕЗИСТОРНЫХ СЕНСОРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ ВОДОРОДА.

5.1. Исследование стабильности и воспроизводимости характеристик МДП-транзисторных сенсорных элементов интегральных датчиков водорода при их долговременной эксплуатации.

5.2. Анализ параметров модели.

5.3. Исследование паразитного влияния водородосодержащих газов (паров аммиака и бензина), а также светового и УФ-излучений на параметры отклика МДП-транзисторных водородочувствительных элементов.

5.4. Рекомендации по эксплуатации (практическому применению) интегральных датчиков водорода с МДП-транзисторным чувствительным элементом.

5.5. Исследование сенсорных элементов на основе палладиевого тонкопленочного резистора.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Сенсорные МДП-элементы для полупроводниковых интегральных водородочувствительных датчиков»

В настоящее время существуют научно-технические задачи обеспечения взрыво- и пожаробезопасности промышленных и военных объектов (хранилища атомного оружия, водородных двигателей), экологического контроля состояния окружающей среды (атомные электростанции, электростанции, шахты, места хранения и производства аккумуляторных батарей), задачи обнаружения наркотических и взрывоопасных веществ, для решения которых необходимо иметь мобильные (малогабаритные с низкой потребляемой мощностью), быстродействующие и относительно недорогие измерительно-контролирующие приборы и системы, способные измерять невысокие концентрации различных газов в реальном масштабе времени [1-6].

Аналитические возможности современных газовых и жидкостных хроматографов и масс-спектрометров позволяют получить разнообразную информацию о качественном и количественном составе запахов изделий и объектов окружающей среды, однако большинство из таких средств представляет собой крупногабаритные, сложные, дорогие приборы и системы, оптические и электрохимические принципы измерения в которых не всегда позволяют определять концентрацию газа именно в реальном масштабе времени, т. е. без предварительного взятия проб, а исследования являются дорогостоящими, требуют больших затрат времени и, за редкими исключениями, неприменимы для работы во внелабораторных условиях. По этой причине становятся приоритетными разработки более простых, дешевых и, самое главное, быстрых анализаторов, называемых «электронными носами» или «е-поБе». «Электронный нос» разрабатывается как универсальный детектор, который количественно определяет и характеризует все типы запахов, т. е. обеспечивает узнаваемый визуальный образ специфической смеси газов (пахучих веществ), которая может содержать сотни различных химических соединений.

С точки зрения создания малогабаритных, недорогих и быстродействующих средств измерения малых концентраций газов, способных измерять малые концентрации различных газов (от единиц ррт) в реальном масштабе времени и имеющих небольшие массо-габаритные параметры (до 2 кг), высокое быстродействие (до 5 с) и пониженную потребляемую мощность (до 50 Вт), перспективным представляется разработка и использование микроэлектронных приборов и систем на основе применения твердотельных сенсоров, поскольку используемые в них принципы измерений позволяют принципиально достичь указанных качеств. Миниатюрность, механическая прочность, работа в реальном масштабе времени и низкая стоимость являются отличительными особенностями всех типов твёрдотельных сенсоров. При этом чувствительность, быстродействие и рабочий диапазон измерения концентраций газов во многом определяются типом выбранного сенсора [7-9].

По порогу чувствительности, быстродействию и потребляемой мощности лучшими являются сенсоры на основе МДП-структур, в частности, интегральные сенсоры на основе МДП-транзисторов. Поэтому в настоящее время разработчики датчиков и газоаналитических измерительных средств большое внимание уделяют созданию и совершенствованию интегральных сенсоров (датчиков, содержащих 1Г одном корпусе несколько элементов и изготовленных с применением технологии интегральных микросхем). Улучшенные метрологические и эксплуатационные характеристики таких сенсоров достигаются за счёт возможности размещения на одном чипе чувствительных и нагревательного элементов, устройств вторичного преобразования и нормализации сигналов первичных чувствительных элементов.

Во многих отраслях производства необходимо осуществлять контроль за содержанием водорода в среде, который при определенных концентрациях может привести к взрывоопасной и пожароопасной ситуациям, особенно в кисло-родосодержащих средах. В частности, на атомных и тепловых электростанциях, а также в производственных зонах предприятий по созданию ядерного топлива возможно выделение газообразного водорода, в реактивных двигателях на водородном топливе возможна утечка газообразного водорода сначала в гелий и затем в воздух, что также может привести к взрывоопасным ситуациям.

Ранее проведенные исследования структур типа металл-диэлектрик-полупроводник с палладиевым затвором показали их чувствительность ко многим газам, например, водороду, углеводородам, парам спирта, сульфиду водорода, аммиаку и монооксиду углерода [10].

Однако до сих пор многие вопросы разработки и эксплуатации интегральных сенсорных элементов на основе МДП-структур недостаточно изучены. Поэтому разработка и создание датчиков водорода для измерения малых концентраций водорода, чувствительным элементом которых является МДП-структура, представляется актуальным.

Целью данной диссертации является разработка конструктивно-технологических способов создания МДП-транзисторных сенсорных элементов для полупроводниковых интегральных водородочувствительных датчиков с повышенными эксплуатационными характеристиками.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1) Анализ сенсорных элементов (их типов, принципов работы, технологий изготовления).

2) Разработка конструктивно-технологических решений для реализации интегральных датчиков на основе резисторных и МДП-транзисторных сенсорных элементов.

3) Исследование метрологических и эксплуатационных характеристик сенсорных МДП-транзисторных и резисторных элементов.

4) Исследование влияния на сенсорные МДП-транзисторные элементы технологии изготовления, термо- и газо-тренировок, зависимости чувствительности и быстродействия от температуры кристалла и электрических режимов включения сенсоров с учетом действия на них внешних паразитных факторов.

5) Разработка методик исследований параметров сенсорных МДП-элем ентов в составе интегральных водородочувствительных датчиков.

Научная новизна диссертации заключается в предложении оригинального подхода при создании активной части датчика водородосодержащих газов - интеграция на одном кристалле газочувствительного и термочувствительного МДП-транз исторов на основе двухслойных диэлектриков с актюатор-ным термонагревательным элементом. Такой подход использовался впервые и позволил снизить потребляемую мощность, повысить быстродействие и стабильность водородочувствительных датчиков. При этом получены следующие научные результаты:

- проанализированы характеристики интегральных датчиков водорода, сенсорными элементами которых являются МДП-конденсатор, тонкопленочный палладиевый резистор и МДП-транзистор, и показано, что МДП-транзистор является лучшим по быстродействию и порогу чувствительности;

- по результатам экспериментальных исследований предложены методики технологических тренировочных циклов (термо- и газотренировки), оценки работоспособности и оценки диапазона измерений сенсорных элементов, а также определения времени готовности интегральных датчиков водорода для проведения измерений, позволяющие максимально продлить срок эксплуатации сенсорных элементов;

- уточнена физико-математическая модель работы водородочувствительных МДП-структур на основе аппроксимации экспериментальных зависимостей порогового напряжения МДП-транзисторов со структурой РсЬТа^Оя^СЬ-й] от концентрации водорода, что позволило получить более точные аналитические зависимости, которые можно использовать при проектировании аналогичных датчиков с другими конструктивно-технологическими и электрофизическими параметрами элементов;

- определена зависимость чувствительности и быстродействия сенсоров от температуры кристалла и электрических режимов включения сенсоров с целью оптимизации значений рабочих режимов и температур. Установлено, что оптимальный интервал рабочих температур составляет 120.140°С, а максимальная чувствительность к водороду проявляется при значениях начального напряжения на затворе, лежащих в пределах от -0,6 до 0,6 В.

Практическая значимость диссертации заключается в следующем:

1) разработаны методика испытаний интегральных датчиков водорода и измерительный стенд, который позволяет оценить отклики интегральных датчиков в автоматическом режиме с выводом на монитор и возможностью хранения данных;

2) экспериментально исследованы метрологические характеристики (передаточная, чувствительность, быстродействие, порог чувствительности и рабочий диапазон преобразования) интегральных датчиков водорода и эксплуатационные характеристики (стабильность, воспроизводимость параметров характеристик);

3) выбраны оптимальные значения рабочих режимов и температур по результатам исследования зависимостей чувствительности и быстродействия сенсоров от температуры кристалла и электрических режимов включения сенсоров;

4) изучено паразитное влияние водородосодержащих газов (паров аммиака и бензина), а также светового и УФ-излучений на водородочувствительные МДП-транзисторные элементы, что необходимо учитывать при практическом использовании датчиков водорода;

5) предложен оптимальный режим эксплуатации интегральных датчиков водорода на основе МДП-транзисторных сенсорных элементов, позволяющий максимально продлить срок их эксплуатации.

На защиту выносятся следующие результаты:

1) методика экспериментальных исследований параметров отклика сенсорных МДП-элементов в составе интегральных водородочувствительных датчиков;

2) экспериментальные зависимости чувствительности и быстродействия МДП-транзисторного водородочувствительного элемента от термо- и газотренировок, температуры кристалла и электрических режимов включения сенсоров;

3) результаты исследования стабильности и воспроизводимости характеристик МДП-транзисторных водородочувствительных элементов при их долговременной эксплуатации;

4) полученные в ходе экспериментальных исследований результаты по влиянию водородосодержащих газов (паров аммиака и бензина), а также светового и УФ-излучений как внешних паразитных факторов на параметры отклика МДП-транзисторных водородочувствительных элементов;

5) рекомендации по созданию и практическому использованию МДП-транзисторных водородочувствительных элементов для приборов и систем.

В первой главе проводится анализ публикаций по состоянию разработок в области датчиков измерения концентрации газов, рассматриваются различные типы и принципы работы сенсорных элементов. Дается оценка состояния и перспектив разработок интегральных газовых сенсоров и возможностей их применения для измерения концентрации газов в реальном масштабе времени. Во второй главе рассмотрены существующие на сегодняшний день модели, объясняющие принцип работы МДП-чувствительных структур, и проведен анализ физических механизмов водородной чувствительности элементов на основе МДП-структур с палладиевым затвором. Продолжено развитие физико-математической модели работы водородочувствительных МДП-структур. В третьей главе даются рекомендации по созданию интегральных датчиков водорода на основе МДП-транзисторных чувствительных элементов, и описана технология изготовления исследованных интегральных датчиков водорода серии ИДВ-3. В четвертой главе рассматриваются параметры отклика и метрологические характеристики сенсорных элементов, описана методика проведения исследований параметров отклика сенсорных элементов и измерительный стенд, который позволяет наблюдать отклики интегральных датчиков в автоматическом режиме с выводом на монитор и возможностью хранения данных. В пятой главе приводятся результаты проведенных экспериментальных исследований, проводится их обсуждение и предлагаются рекомендации по эксплуатации интегральных датчиков водорода на основе МДП-транзисторного чувствительного элемента. В заключении обсуждаются основные результаты диссертации.

Заключение диссертации по теме «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления», Никифорова, Марина Юрьевна

Выводы

1) Экспериментальные исследования стабильности и воспроизводимости характеристик МДП-транзисторных водородочувствигтельных элементов при их долговременной эксплуатации показали, что из-за разброса параметров отклика при многократном последовательном использовании сенсора относительная статическая погрешность измерения концентрации может достигать 10%, а погрешность оценки быстродействия сенсоров по переднему фронту до 25%, а по заднему фронту до 35%. Следовательно, чувствительность сенсоров - более воспроизводимый параметр, чем их быстродействие. Поэтому при эксплуатации данных сенсоров водорода рекомендуется измерять изменение выходного сигнала AU, а также учитывать погрешность, связанную с их эксплуатационной нестабильностью. Анализ экспериментальных результатов позволяет сделать вывод о необходимости отжига сенсоров с целью их более длительной эксплуатации, а также принципиальной возможности использования некоторых датчиков со сроком эксплуатации более 90 дней.

2) В результате проведенных экспериментальных исследований для МДП-транзисторных элементов Pd-TaiOs-SiCb-Si интегральных датчиков водорода предлагаемая экспоненциальная аппроксимационная модель выполняется с точностью 6%, а значения Uom и к находятся в интервалах 0,3.0,55 В и 14.26 (об0/«)"1 соответственно. Установлено, что диапазон величины логарифмической чувствительности зависит от времени эксплуатации и проводившихся технологических отжигов. Определена зависимость рабочего диапазона измерений сенсорных элементов от логарифмической чувствительности. На основании полученных данных определен рабочий диапазон измерений исследованных МДП-транзисторных водородочувсгвителъных элементов, который составляет 0,177.0,32 об.% (или 1770.3200 ррш).

3) Исследование воздействия светового излучения как внешнего паразитного фактора на водородочувствительный МДП-транзисторный элемент показало влияние освещенности на чувствительность и быстродействие сенсоров, что следует учитывать при эксплуатации таких сенсоров водорода в условиях изменяющейся освещенности. Установлено, что под действием светового излучения начальное напряжение на затворе 11о нелинейно возрастает с увеличением освещенности кристалла, при возрастании освещенности чувствительность сенсора падает, а быстродействие повышается.

4) Изучение влияния УФ-излучения как внешнего паразитного фактора на МДП-транзисторный водородочувствительный элемент показало, что при воздействии УФ-излучения начальное выходное напряжение у части МДП-транзисторных водородочувствительных элементов возрастает, а у других -уменьшается. Установлено, что с увеличением мощности УФ-излучения величина отклика сенсорного элемента на излучение возрастает, быстродействие не изменяется, а параметр нестабильности возрастает с каждым проведенным облучением. Обнаружено также, что у некоторых сенсоров происходит необратимый сдвиг порогового напряжения, которое восстанавливается до прежнего уровня только при проведении термического отжига.

5) Определено влияние других водородосодержащих газов (паров аммиака и бензина) как внешних паразитных факторов на МДП-транзисторные водо-родочувствительные сенсорные элементы. Оказалось, что чувствительность и быстродействие сенсоров к парам аммиака и бензина значительно ниже, чем к водороду в исследованном интервале концентраций до 1 об.%. в воздухе. Обнаружено возрастание чувствительности сенсоров к парам аммиака с ростом его концентрации при температурах кристалла П0.190°С. Исследование паров бензина марок А-76 и Аи-95 с содержанием бензола не более 6% на чувствительность и быстродействие МДП-транзисторных водородочувствительных элементов, проводившееся при температурах кристалла 110,

110

180 и 250°С, показало, что отклики характеризуются незначительными (на уровне погрешности) амплитудами отклика при температурах кристалла менее 250°С и значительно большими временами передних (50.70 с) и задних (150.220 с) фронтов по сравнению с откликами, полученными на водород, т.е. меньшим быстродействием. Было установлено, что марка бензина не влияет на параметры отклика в пределах погрешностей, и величина отклика возрастает с увеличением рабочей температуры кристалла.

6) Сенсорные элементы на основе палладиевых тонкопленочных резисторов по сравнению с МДП-транзисторными чувствительными элементами с палла-диевым затвором обладают значительно большей нестабильностью параметров отклика на водород, меньшим быстродействием и существенно большим временным дрейфом, причем большинство резисторных сенсорных элементов не чувствительно к малым концентрациям водорода (менее 1000.2000 ррт) в воздухе.

7) На основании проведенных экспериментальных исследований выработаны рекомендации по эксплуатации интегральных датчиков водорода на основе МДП-транзисторных чувствительных элементов с целью максимального продления их срока эксплуатации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1) В диссертации на основе анализа литературных данных по состоянию разработок в области сенсоров концентраций газов показано, что интеграция с использованием технологически совместимых элементов датчиков, чувствительным элементом которых является МДП-структура, перспективна, но недостаточно исследована.

2) Установлено, что и МОП-конденсатор и МОП-транзистор с палладиевым затвором можно использовать как водородочувствительные сенсорные элементы. Исследования показали, что транзисторный элемент оказался лучше емкостного по быстродействию (в 8. 13 раз) и порогу чувствительности (10.50 ррт у транзисторного элемента и 1000.2000 ррш у емкостного элемента). Выработаны рекомендации по созданию интегральных датчиков водорода на основе МДП-транзисторного чувствительного элемента с повышенными быстродействием и чувствительностью.

3) Продолжено развитие физико-математической модели работы водородочув-ствительных МДП-структур на основе аппроксимации экспериментальных зависимостей порогового напряжения МДП-транзисторов со структурой Рс1-ТагОз-БЮг^ от концентрации водорода, что позволило получить более точные аналитические зависимости, которые можно использовать при проектировании аналогичных датчиков с другими конструктивно-технологическими и электрофизическими параметрами элементов. Предлагается аналитическая зависимость сдвига порогового напряжения МДП-транзисторного водородочувствительного элемента при изменении концентрации водорода N в воздухе в виде Аи=иом(1~е Ш), где вводятся 2 параметра: к - логарифмическая чувствительность и и0м - максимальная величина изменения порогового напряжения. Получена зависимость Цом от электрофизических и конструктивно-схемотехнических параметров МДП л!2ееоЯМа<Рп 00п +0ПС транзисторного элемента иом = <рш + <Рп +--——---—-———где IIиз сд сд напряжение плоских зон; (рц - поверхностный потенциал; еп - относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника; 8о - электрическая постоянная; <Рре — разность между уровнем Ферми и уровнем электростатического потенциала; Ма - концентрация примеси (акцепторов) в подложке; Сд -удельная емкость МДП-структуры; Qoд - эффективный заряд в диэлектрике; (2пс - удельный заряд на поверхностных состояниях; - концентрация центров адсорбции водорода на внутренней поверхности палладия. В результате анализа экспериментальных данных установлено, что в диапазоне N=50.2000 ррш данная аппроксимация выполняется с точностью 6%, величина Иом находится в диапазоне 0,35.0,5 В, логарифмическая чувствительность остается постоянной величиной (в пределах погрешностей) и для различных датчиков находится в пределах 14.26 (об.%)-1 (или 0,0014.0,0026 ррт"1). Оказалось, что в течение эксплуатации логарифмическая чувствительность уменьшается со временем, а после отжига величина к резко возрастает. Получена зависимость чувствительности МДП-транзисторного сенсорного элемента от концентрации водорода в воздухе в виде

С /оК, Л ^ , ^ Л в = к ^ , р580дЫа<Рп 00Д + 0ПС + 0Н <Рт +<Рп +-~---~е ш. Установлено, что чувствительность к водороду зависит от многих конструктивно-технологических и электрофизических параметров, таких как тип металла ((рм\ удельная проводимость подложки (концентрация примеси в подложке), удельная емкость МДП-структуры, концентрация центров адсорбции, заряд в диэлектрике и на поверхностных состояниях на границе диэлектрик-полупроводник, рабочего режима (рабочей температуры и напряжений ([/си))- Показано, что для повышения чувствительности МДП-транзисторного сенсорного элемента с двухслойным диэлектриком необходимо выбирать металл с как можно большей работой выхода, чем у кремния, увеличивать концентрацию примеси в подложке (удельную проводимость подложки) и толщину двойного подзатворного диэлектрика, при этом больше увеличивая толщину диэлектрика с меньшей относительной диэлектрической проницаемостью.

4) Разработан измерительный стенд для проведения экспериментальных исследований метрологических и эксплуатационных характеристик интегральных датчиков водорода, позволяющий наблюдать отклик датчиков в реальном времени в автоматическом режиме с выводом на монитор и возможностью хранения данных, что позволило автоматизировать процесс исследования и ускорить получение экспериментальных результатов.

5) Предлагаются методики технологических тренировочных циклов, оценки работоспособности и оценки диапазона измерений сенсорных элементов, а также определения времени полной готовности интегральных датчиков водорода для проведения измерений на основании проведенных исследований по влиянию на метрологические характеристики сенсоров технологических отжигов и газовых тренировок, что позволяет использовать методику для дальнейших экспериментальных исследований характеристик газовых интегральных датчиков на основе МДП-структур. Установлено, что оптимальными параметрами технологических отжигов являются температура отжига 300.350°С и время отжига 12. 15 мин, а газовых тренировок - выдержка датчиков при концентрации водорода в воздухе 10000 ррт. Определено время готовности интегральных датчиков водорода для проведения измерений, которое составляет 20 мин.

6) Исследовано влияние рабочей температуры кристалла и начального значения выходного напряжения на чувствительность и быстродействие водоро-дочувствительных МДП-транзисторных элементов, в результате чего выбраны оптимальные значения рабочих режимов (Но = -0,6.0,6 В) и температур (120. 140°С).

7) Экспериментальные исследования стабильности и воспроизводимости характеристик МДП-транзисторных водородочувствительных элементов при их долговременной эксплуатации показали, что из-за разброса параметров отклика при многократном последовательном использовании сенсора относительная статическая погрешность измерения концентрации может достигать 10%, а погрешность оценки быстродействия сенсоров по переднему фронту до 25%, а по заднему фронту до 35%. Следовательно, чувствительность сенсоров - более воспроизводимый параметр, чем их быстродействие. Поэтому при эксплуатации данных сенсоров водорода рекомендуется измерять изменение выходного сигнала А11, а также учитывать погрешность, связанную с их эксплуатационной нестабильностью. Анализ экспериментальных результатов позволил сделать вывод о необходимости отжига сенсоров с целью их более длительной эксплуатации, а также принципиальной возможности использования некоторых датчиков со сроком эксплуатации более 90 дней.

8) Изучено влияние светового и УФ-излучений и других водородосодержащих газов (паров аммиака и бензина) как внешних паразитных факторов на водо-родочувствительные МДП-транзисторные элементы, которое показало, что световое и УФ-изл учения влияют на чувствительность и быстродействие МДП-транзисторных водородочувствительных элементов, а концентрациями паров аммиака и бензина в воздухе менее 1 об.% при проведении измерений можно пренебречь.

9) На основании проведенных экспериментальных исследований выработаны рекомендации по созданию и эксплуатации интегральных датчиков водорода с пониженной потребляемой мощностью, повышенными быстродействием и стабильностью характеристик интегральных водородочувствительных датчиков на основе МДП-транзисторных сенсорных элементов с целью максимального продления их срока эксплуатации с 7. 10 до 70. 120 дней.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Никифорова, Марина Юрьевна, 2003 год

1. Lundstrom I, Shivaraman M.S., Svenson C. A hydrogen-sensitive MOS field-effect transistor II Appl.PhysXett.-1975.-V.26.-№2-P. 55-57.

2. Lundstrom I., Shivaraman, Svenson C. Chemical reactions on palladium surfaces studied with Pd-MOS structures // Surface Sci.-1977.-№64.-P. 497-519.

3. Morrison S.R. Selectivity in semiconductor gas sensors // Sensors and actuators-1987.-№12.-P. 425-440.

4. Sears W.M., Morrison S.R. Design of platinum hot wire gas sensors If Sensors and actuators-1988-V. 13 -№2.-P. 89-103.

5. Fare T.J., Zemel J.N. Admittance studies of hydrogen-induced states at the silicon-silicon dioxide interface // Sensors and actuators.-1987.-V.ll.-№2 -P. 101135.

6. Gas response dependence on gate metal morphology of field-effect devices / Lundstrom I., Carlsson A., Eriksson M., Utaiwasin C. II Sensors and actuators B: Chemical.-2001 -V.80-№3 -P. 183-192.

7. Detection of HC in exhaust gases by an array of MISIC sensors / Lundstrom I., Ekedahl L.-G., Tobias P., SalomonssonP. // Sensors and actuators B: Chemical-2001 -V.77-№l-2.-P. 177-185.

8. High temperature catalytic metal field effect transistors for industrial applications/ Spetz A. L., Tobias P., Uneus L., Svenningstorp H., Lundstrom I. // Sensors and actuators B: Chemical.-2000.-V.70.-№l-3.-P. 67-76.

9. Moving gas outlets for the evaluation of fast gas sensors I Lundstrom I., Spetz A. L., Goras A., Tobias P., Martensson P. // Sensors and actuators B: Chemical-1999-V.58.-№ 1 -3 -P. 389-393.

10. Lundstorm I. Gas sensors based on catalitic metal-gate field-effect devices // Sensors and actuators-1986.-№ 10.-P. 399-421.

11. Fomenko S., Gumenjuk S., Podlepetsky В. и др. The influence of technological factors on the hydrogen sensitivity of MOSFET sensors II Sensors and actuators B.-1992.-№ 11.-P. 7-10.

12. Подлепецкий Б. И. Микроэлектронные датчики концентрации газов // Тр. конф. «Датчик-99»; Тез. докл.-Гурзуф, 1999.-С. 30-31.

13. Flandre D. SOI CMOS technology for high-temperature microsystems // MSTNews -1998 .-№2.—P. 18-20.

14. Gottfried K., Vogel M., Hoffman R. Gas sensor for high temperature application// MSTNews.-2001 .-№4/01 ,-C. 10-12.

15. Влияние водорода на электрические характеристики МОП-структур с тун-нельно тонким диэлектриком / Гаман В.И., Дробот П.Н., Дученко М.О., Ка-лыгина В.М. // Поверхность: Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования.-1996.-№11 .-С. 64-73.

16. Rittersma Ch., Kalinowski Т., Benecke W. Microsystem application of porous silicon // MSTNews.-1999.-№3.-P. 10-11.

17. Williams D.E., Pratt K.F.E. Microstructure effects on the response of gassensitive resistors based on semiconducting oxides // Sensors and actuators, B: Chemical.- 2001.-V.70.-№l-3.-P. 214-221.

18. Moise C., Ioneseu R., Vancu A. Role of water vapour in the interaction of Sn02 gas sensors with CO and CH4 // Sensors and actuators, B: Chemical-1999-V.61—№1-3-P. 34-42.

19. Pijolat C., Tournier G. Influence of oxygen concentration in the carrier gas on the response of tin dioxide sensor under hydrogen and methane 11 Sensors and actuators, B: Chemicai.-1999.-V.61 .-№1-3 —P. 43-50.

20. Kim Y.B., Kim T.S., Yoo K.S. Sensing characteristics of DC reactive sputtered WO3 thin films as an NOx gas sensor // Sensors and actuators, B: Chemical -2000 -V. 62 .-№2 —P. 102-108.

21. Solzbacher F., Imavan C., Steffes H. Gas-sensing characteristics of modified-M0O3 thin films using Ti-overlayers for NH3 gas sensors // Sensors and actuators, B: Chemical.-2000.-V.64-.Nbl-3 -P. 193-197.

22. Meyer J., Lee M. A new process for fabricating CCVsensing layers based on BaTi03 and additives // Sensors and actuators, B: Chemical.-2000.-V.68.-№l-3.-P. 293-299.

23. Никифоров А.Ю., Подлепецкий Б.И., Телец В.А. Принципы формирования системы нормативных документов на микроэлектронные компоненты датчиков // Измерительная техника.-1997.-№3 .-С. 12-15.

24. Schoonman J., van Rij L.N., van Landschoot R.C. Detection of methane in oxygen-poor atmospheres using a catalytic asymmetric sensor design // Sensors and actuators, B: Chemical.-2001.-V.75.-№l-2.-P. 111-120.

25. Moseley P.T., Tofield B.C. Solid State Gas Sensors.-Bristol.-l 987.-245 c.

26. Подлепецкий Б.И., Фоменко C.B. Микроэлектронные датчики газового состава // Зарубежная электронная техника-1988.-№ 2.-С. 3-39.

27. Демидович В.М., Демидович Г.Б., Козлов С.Н., Петров А.А. Структура и динамика молекулярных систем // Материалы IV Всероссийской конференции: Тез. докл.-Йокшар-Ола-Казань-Москва, 1997.-Ч.2.-С. 10.

28. Morrison G. Potentiometric gas sensors based on fact solid electrolytes // Sensors and actuators-1987 -V. 12.-P. 449-453.

29. Gomes M., Oliveira J., Nogueira P. Quantification of C02, S02, NH3, and H2S with a single coated piezoelectric quartz crystal // Sensors and actuators, B: Chemical.-2000.-V.68.-№l-3 -P. 218-222.

30. Appel G., Schmeiszer D., Henkel K. Selective polypyrrole electrodes for quartz microbalances: Ж)2 and gas flux sensitivities // Sensors and actuators, B: Chemi-cal.-2001.-V.76.-№l-3.-P. 124-129.

31. Wang Y., Chag W., Dong Y. A multi-resolution passive saw chemical sensor // Sensors and actuators, B: Chemical.-2001.-V.76.-№l-3.-P. 130-133.

32. Адсорбция водяных паров на кварце, палладии и сплаве палладия с никелем / Анисимкин В.И., Максимов С.А., Калиендо Ч., Верона Э. // Поверхность: Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования-1998.-№3-С. 73-78.

33. Eisele I., Doll Т., Burgmair М. Low power gas deyection with FET sensors // Sensors and actuators, B: Chemical.-2001.-V.78.-№1.-P. 19-25.

34. Подлепецкий Б.И. Интегральные полупроводниковые сенсоры для измерения малых концентраций водородосодержащих газов // CHIP NEWS.-1997-№3.-С. 26-27.

35. Литовченко В.Г., Лисовский И.П. О природе адсорбо-электрического эффекта в структурах Pd-Si3N4-Si02-Si при адсорбции молекул водорода // Поверхность: Физика, химия, механика.995.-№11 -С. 5-17.

36. Itoh М., Muto К., Nakagomi S. Hydrogen sensitive negative switching behavior in metal-oxide-semiconductor devices // Sensors and actuators, B: Chemical-2001 -V.72 .-№2 —P. 108-114.

37. Silicon-carbide MOS capacitors with laser-ablated Pt gate as combustible gas sensors / Zhang X., Samman A., Gebremariam S., Rimai L.// Sensors and actuators, B: Chemical.-2000.-V.63.-№l-2.-P. 91-102.

38. Lee J.H., Hong C., Kim C.K. Pd- and Pt-SiC Schottky diodes for detection of H2 and CH4 at high temperature // Sensors and actuators, B: Chemical -2001-V. 77.-Ш-2.-Р. 455-462.

39. Chen Liang-Ju, Huntar Gary W. Comparison of interfacial and electric properties of annealed Pd/SiC and Pd/Si02/Si Schottky diode sensors // J. Vac. Sci. and Technol. A.—1997-15.-№3. Pt2.-P. 1228-1233.

40. Spetz A. Lloid, Lundstorm 1. High temperature sensors based on metal-insulator-silicon carbide devices//Phys. status solidi. A-162-1997-№1 -P. 493-510.

41. Tobiska P., Hugon O., Gagnaire H., Trouillet A. An integrated optic hydrogen sensor based on spr on palladium // Sensors and actuators, B: Chemical.-2001 V.74.-№l-3.-P. 168-172.

42. Chtanov A., Gal M. Differential optical detection of hydrogen gas in the atmosphere // Sensors and actuators, B: Chemical.-2001.-V.79.-№3.-P. 196-199.

43. Capobianchi A., Pennesi G., Baldini F. Reversible and selective detection of N02 by means of optical fibres // Sensors and actuators, B: Chemical.-2001-V.74,-№1-3-P. 12-17.

44. Willson A., Collins R.A. Senso-opto-micro-electronic (SOMET) devices // Sensors and actuators.-1987.-№l 1 —P. 289-297.

45. Cane C., Domínguez С. Environmental applications of microelectronics sensors in Spain // MSTNews-1997.-№22-P. 6-7.

46. Czolk R. Microsensor-based systems for chemical analysis // MSTNews-1997.-№22.-P. 10-12.

47. Hong Hyund-Ki, Shin H. W., Yun Dong H. Electronic nose system with micro gas sensor array 11 Sensors and actuators. В 35-36.-1996-P. 338-341.

48. Lundstorm I. Hydrogen sensitive MOSFET-structures // Sensors and Actuators. -1981/82.-V.2.-P. 105-138.

49. Зи С. Физика полупроводниковых приборов: В 2 т.-Пер. с англ.-М. Мир, 1984.-2 т.

50. Фоменко С.В., Поддепецкий Б.И., Гуменюк С.В. Интегральные полупроводниковые датчики водорода // Измерительная техника. -1995.-№1.-С. 2225.

51. Yamamoto N., Tonomura S., Matsuoka Т. Hydrogen sensitivity of MOS devices // Surf. Science-1980 .-V.92.-P. 401-406.

52. Moseley P.T., Tofield B.C. Solid state gas sensors. Bristol, 1987.-245 c.

53. Уточкин Ю.А. Водородочувствительные МДП-структуры, полученные методом лазерного напыления: Дис. на соискание ученой степени канд. физ.-мат. наук.-М., 1994.-75 с.

54. Козленков В.П., Николаев И.Н., Уточкин Ю.А. Водородный сенсор на основе МДП-структуры // Приборы и системы управления-1991 -№6.-С. 26-27

55. Никифорова М.Ю. Уточненная физико-химическая модель работы МДП-транзисторного водородочувствительного элемента // Научная сессия МИ-ФИ-2003: Тез. докл.-М., 2003.-Т.1.-С. 131-132.

56. Попов В.Д. Радиационная физика приборов со структурой металл-диэлектрик-полупроводник.-М.: МИФИ.-1984.-80 с.

57. Березин A.C., Мочалкина O.P. Технология и конструирование интегральных микросхем.-М.: Радио и связь, 1992.-320 с.

58. The influence of technological factors on the hydrogen sensitivity of MOSFET sensors/ Fomenko S., Gumenjuk S., Podlepetsky В., ChuvashovV., Safronkin G. // Sensors and actuators B. -1992.-№10.-P. 7-10.

59. Атамалян Э.Г. Приборы и методы измерения электрических величин-М.: Высшая школа, 1989.-271 с.

60. Поддепецкий Б.И., Никифорова М.Ю., Гуменюк C.B. Исследование стабильности характеристик интегральных сенсоров водорода // Приборы и техника эксперимента.-2001.-№2.-С. 136-138.

61. Поддепецкий Б.И., Никифорова М.Ю. Методика исследований метрологических и эксплуатационных характеристик интегральных датчиков водорода // Датчик-2002: Тез. докл. XIV науч.-техн. конф. с участием зарубежных специалистов .-Судак, 2002.-С. 184-185.

62. Исследования стабильности характеристик интегральных сенсоров водорода и влияния на них светового излучения / Подлепецкий Б.И., Никифорова М.Ю., Гуменюк C.B., Коваленко A.B. // Датчики и системы.-2001 .-№6.-С. 29-31.

63. Никифорова М.Ю., Подлепецкий Б.И., Гуменюк C.B. Исследование влияния электрического режима и температуры чипа на параметры отклика интегральных сенсоров водорода // Научная сессия МИФИ-2001 : Тез. докл-М.,2001г.-Т.1.-С. 106-107.