RU2038589C1

RU2038589C1 - Resistive gas transducer

Info

Publication number: RU2038589C1
Authority: RU
Inventors: Г.Ф. Жуков; В.К. Смолин
Original assignee: Научно-исследовательский институт измерительных систем
Priority date: 1992-03-31
Filing date: 1992-03-31
Publication date: 1995-06-27

Abstract

FIELD: analysis of materials. SUBSTANCE: transducer has a silicon sublayer with a dielectric diaphragm and film ring heater which encloses measuring electrodes. A gas-sensitive layer is formed on the diaphragm between the measuring electrodes. The inner measuring electrode is made up as a ring whose center is in coincident with the center of the diaphragm and center of the film heating member made as an open ring which is also the outer measuring electrode. EFFECT: enhanced reliability. 2 dwg

Description

Изобретение относится к аналитическим приборам, а именно к полупроводниковым датчикам химического состава газа. The invention relates to analytical instruments, namely to semiconductor sensors of the chemical composition of the gas.

Известна конструкция газового датчика [1] содержащая кремниевую подложку, в которой сформирована мембрана, на которой последовательно выполнены нагреватель и газочувствительный элемент. Для данного датчика характерна сложность исполнения нагревателя и газочувствительного элемента. A known construction of a gas sensor [1] containing a silicon substrate in which a membrane is formed on which a heater and a gas-sensitive element are successively made. This sensor is characterized by the complexity of the heater and gas element.

Известна конструкция датчика состава газа [2] содержащая пластину кремния, в центральной части которой сформирован датчик температуры и газочувствительный элемент. Недостатком датчика является сложность конструкции. A known design of a gas composition sensor [2] comprising a silicon plate in the central part of which a temperature sensor and a gas-sensitive element are formed. The disadvantage of the sensor is the complexity of the design.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является резистивный газовый датчик [3] содержащий кремниевую подложку с выполненной на ней мембраной из двуокиси кремния или нитрида кремния, на которой сформированы газочувствительный слой с измерительными электродами и окружающий их пленочный кольцевой нагревательный элемент. В данной конструкции расположение элементов датчика требует увеличения размеров мембраны, и следовательно, снижает ее механическую прочность и повышает потребляемую пленочным нагревательным элементом мощность, что в результате приводит к снижению надежности датчика. Closest to the claimed invention is a resistive gas sensor [3] containing a silicon substrate with a silicon dioxide or silicon nitride membrane formed on it, on which a gas-sensitive layer with measuring electrodes and a film ring heating element surrounding them are formed. In this design, the arrangement of the sensor elements requires an increase in the size of the membrane, and therefore reduces its mechanical strength and increases the power consumed by the film heating element, which leads to a decrease in the reliability of the sensor.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности и снижение потребляемой мощности. The technical result of the invention is to increase reliability and reduce power consumption.

Результат достигается тем, что в резистивном газовом датчике, содержащем кремниевую подложку с диэлектрической мембраной, на которой между измерительными электродами сформирован газочувствительный слой, внутренний измерительный электрод выполнен в виде кольца, центр которого совпадает с центром симметрии мембраны и центром внешнего измерительного электрода, выполненного в виде незамкнутого кольца, являющегося одновременно нагревательным элементом. The result is achieved in that in a resistive gas sensor containing a silicon substrate with a dielectric membrane on which a gas-sensitive layer is formed between the measuring electrodes, the internal measuring electrode is made in the form of a ring, the center of which coincides with the center of symmetry of the membrane and the center of the external measuring electrode, made in the form open ring, which is also a heating element.

На фиг.1 изображен разрез по А-А датчика на фиг.2; на фиг.2 датчик, вид в плане. Figure 1 shows a section along aa of the sensor of figure 2; figure 2 sensor, view in plan.

Датчик содержит кремниевую подложку 1 с выполненной на ней мембраной 2, на которой сформированы внешний измерительный электрод 3 с пленочным контактами 4 и 5, газочувствительный слой 6 и внутренний измерительный электрод 7 с контактной площадкой 8. The sensor contains a silicon substrate 1 with a membrane 2 made on it, on which an external measuring electrode 3 with film contacts 4 and 5 is formed, a gas-sensitive layer 6, and an internal measuring electrode 7 with a contact pad 8.

Датчик работает следующим образом. К пленочным контактам 4, 5, внешнего измерительного электрода 3 прикладывается напряжение U, величина которого выбирается в зависимости от рабочей температуры газочувствительного слоя 6 и от сопротивления внешнего электрода, являющегося одновременно нагревательным элементом 3. При заданной топологии элемента 3 температура газочувствительного слоя 6 практически постоянна по его поверхности и равна температуре на внутренней кромке элемента 3. Равномерность температуры газочувствительного слоя обусловлена радиальной симметрией нагревателя. В присутствии газовой среды сопротивление газочувствительного слоя зависит от концентрации регистрируемой компоненты газа. Сопротивление газочувствительного слоя регистрируется блоком обработки результатов (не показан), подключаемым к пленочным контактам 4 (или 5) и 8. Особенностью заявляемой конструкции является использование внешнего электрода газочувствительного слоя одновременно в качестве нагревательного элемента. The sensor operates as follows. A voltage U is applied to the film contacts 4, 5, of the external measuring electrode 3, the value of which is selected depending on the working temperature of the gas-sensitive layer 6 and on the resistance of the external electrode, which is also the heating element 3. For a given topology of the element 3, the temperature of the gas-sensitive layer 6 is almost constant over its surface and is equal to the temperature on the inner edge of the element 3. The uniformity of the temperature of the gas-sensitive layer due to the radial symmetry la. In the presence of a gaseous medium, the resistance of the gas-sensitive layer depends on the concentration of the detected gas component. The resistance of the gas-sensitive layer is recorded by the results processing unit (not shown) connected to the film contacts 4 (or 5) and 8. A feature of the claimed design is the use of an external electrode of the gas-sensitive layer simultaneously as a heating element.

За счет совмещения функций электрода газочувствительного слоя и нагревательного элемента упрощаются конструкция и технология изготовления датчика, снижается расход драгметаллов и уменьшаются механические нагрузки на мембрану. By combining the functions of the electrode of the gas-sensitive layer and the heating element, the design and manufacturing technology of the sensor are simplified, the consumption of precious metals is reduced, and mechanical loads on the membrane are reduced.

Уменьшение внешнего радиуса нагревателя (за счет исключения отдельного нагревательного элемента и промежутка между ним и электродом газочувствительного слоя) приводит к увеличению его теплового сопротивления и снижению потребляемой мощности. A decrease in the external radius of the heater (due to the exclusion of a separate heating element and the gap between it and the electrode of the gas-sensitive layer) leads to an increase in its thermal resistance and a decrease in power consumption.

Ввиду уменьшения размеров мембраны достигается повышение механической прочности и устойчивости резистивного газового датчика к термомеханическим воздействиям. Формирование на мембране пленочных слоев с осесимметричной топологией приводит к снижению градиентов температуры в мембране, что дополнительно приводит к повышению надежности датчика. С этой точки зрения более предпочтительным является выполнение круглой мембраны. Due to the decrease in the size of the membrane, an increase in the mechanical strength and resistance of the resistive gas sensor to thermomechanical effects is achieved. The formation of film layers on the membrane with an axisymmetric topology leads to a decrease in temperature gradients in the membrane, which additionally leads to an increase in the reliability of the sensor. From this point of view, the implementation of a round membrane is more preferable.

Claims

RESISTIVE GAS SENSOR containing a silicon substrate with a dielectric membrane on which the measuring electrodes are located, a gas-sensitive layer formed between the electrodes, and a heating element, characterized in that the internal measuring electrode is made in the form of a ring, the center of which coincides with the center of symmetry of the membrane and the center of the external measuring electrode, made in the form of an open ring and which is simultaneously a heating element.