Микроплитка для чипа

09.02.2006

Не одну жизнь смогут спасти маленькие, удобные и надежные датчики

Не одну жизнь смогут спасти маленькие, удобные и надежные датчики, технологию производства которых разработали московские специалисты. Эти датчики быстро и точно определяют концентрацию взрывоопасных веществ в воздухе.

Абсолютным чемпионом мира в своей области стала микроскопическая штучка, технологию производства которой разработали московские ученые. Говоря очень упрощенно, это очень маленькая и очень тонкая плитка для подогрева основной детали газовых датчиков - газочувствительного слоя. Особенность этого нагревательного элемента в том, что работать он может дольше и стабильнее всех до сих пор известных, температуры выдерживает более высокие, а энергии тратит в несколько раз меньше, чем производимые промышленно датчики.

Газовые датчики, то есть небольшие, недорогие и компактные приборы для непрерывного определения концентрации тех или иных газов, токсичных или взрывоопасных, действительно нужны, как воздух. Просто потому, что от их наличия и хорошей работы без преувеличения зависит жизнь многих людей. Однако, несмотря на огромные усилия и ученых-теоретиков, и научных отделов различных фирм, взрывы газа в домах и шахтах продолжаются. Происходит это в том числе и потому, что нет простых, понятных, надежных и недорогих приборов. Как, например, зубная щетка. Пока, конечно, до этого далеко - известные датчики либо слишком сложны, либо дороги, либо нестабильны. А взрывы бытового газа в домах тем временем продолжаются.

Серьезную заявку на улучшение эксплуатационных характеристик газовых датчиков сделали сотрудники Института водородной энергетики и плазменных технологий РНЦ "Курчатовский институт". Суть ее в следующем.

Обычно чувствительный элемент газовых датчиков, во всяком случае у датчиков термокаталитических и полупроводниковых, - это газочувствительный слой, нагретый до 250-450 градусов. Определяемый газ сорбируется в ней или вступает в определенные химические реакции, благодаря чему некоторые параметры материала слоя изменяются. Это изменение фиксируют, и по его величине судят о концентрации определяемого газа в воздухе. Но чтобы все шло, как задумано, чувствительный слой необходимо очень аккуратно и равномерно подогреть до довольно высокой температуры. Теоретически тут все как будто понятно, но возникают технические проблемы, решить которые как следует не удается.

Как правило, измерительный элемент такого сенсора - это микрочип, то есть многослойная микросхема на кремниевой подложке. Один из ее слоев, тот, что под мембраной, это нагреватель, обычно платиновый, на основе из кремния. В некотором смысле это похоже на обычную конфорку электрической плиты, только в миниатюре. Так вот, проблема в том, что коэффициент теплового расширения нагревателя и основы, на которую он нанесен, сильно отличается от коэффициентов расширения остальных частей конструкции измерительного элемента.

Нагреватели от ИВЭПТе совсем другие. Сделаны они на очень тонкой, толщиной всего 30-50 микрон, но прочной мембране - пленке на основе оксида алюминия. Технология получения этих пленок и есть область ноу-хау изобретения, которое авторы, разумеется, запатентовали. Говорят, что получают пленки электролитно-искровым методом, а что это такое, помимо того, что следует из названия (искра в растворе электролита) - не говорят. Впрочем, скрытность вполне оправданная.

Вот с такими пленками металлический, в данном случае платиновый, нагреватель совмещается прекрасно, и вся конструкция способна выдержать и стабильно удерживать температуру до 500 градусов, то есть в несколько раз выше, чем кремниевые аналоги. А потребляемая мощность при этом у них в несколько раз ниже, чем у промышленно выпускаемых чипов.

В результате сенсор с чипом размером всего 6 х 6 мм и площадью горячей зоны 0,09 кв.мм (300х300 мкм) сможет в доли секунды определить концентрацию в воздухе, например, пропана, даже если его там только тысячные доли процента -не говоря уж о более высоких концентрациях. А каждый нагреватель сможет выдержать не меньше пятидесяти тысяч циклов нагревания-охлаждения.

"Наши датчики позволяют надежно определять не только природный газ, то есть метан и пропан, но и водород, а также угарный и некоторые токсичные газы, - говорит один из авторов разработки Сергей Гогиш-Клушин. Кроме того, при соответствующей доработке подобными датчиками можно определять концентрации аммиака, сероводорода, паров растворителей и продуктов пиролиза горючих материалов. Последнее нужно для пожарных датчиков раннего предупреждения. А некоторые наши датчики уже проходят испытания, и весьма успешно, в ряде исследовательских центров у нас и за рубежом".

Источник:Информнаука

©РАН 2020