Технические науки/ 6.Электротехника и радиоэлектроника

К.т.н. Куданович О.Н., н.с. Колесник Э.Э., аспирант Денисюк С.В.

Институт физики Национальной Академии наук Беларуси, Лаборатория Микро-электроники, механики и сенсорики, Минск, Беларусь

Исследование чувствительности тонкопленочного NiO-микросенсора к парам этанола

Оксид никеля достаточно полно изучен и используется как каталитический материал в химической промышленности. Известны его применения для окисления монооксида углерода и разложения спиртов [1,2]. Наличие каталитической активности и принадлежность к металлам переходных групп, оксиды применяются в приборах газового контроля, позволяет сделать вывод о возможности использования оксида никеля как чувствительного материала для газоаналитической техники. Имеются определенные трудности в получения пленок NiO традиционными керамическим и золь-гель технологиями. Однако в последнее время благодаря развитию микроэлектронных тонкопленочных технологий, а также вследствие высокой стабильности фазы и структуры в широком диапазоне температур это соединение исследуется в качестве активных слоев полупроводниковых газовых сенсоров. В данной работе представлены результаты исследования газочувствительных свойств газового микросенсора на основе тонкопленочных слоев NiO к парам этилового спирта.

Тонкопленочный оксид никеля был сформирован двухстадийным методом, описанным в [3]. В качестве конструкционной несущей основы пленочных элементов сенсоров применены тонкие (30-40 мкм) пластины анодного оксида алюминия (АОА), выращенные локальным электрохимическим окислением алюминия [4]. На одной из сторон подложки находятся система встречно-штыревых информационных электродов и газочувствительный слой, на другой – нагреватель в виде меандра. Подложка имеет сквозную перфорацию, локализующую рабочую нагреваемую часть сенсора, которая позволяет снизить энергопотребление и увеличить термомеханическую прочность сенсора. Схематическое изображение и фотография микросенсора показаны на рисунках 1 а и б.

Важно подчеркнуть особенность выбора материалов информационных электродов и нагревателя для сенсора с чувствительным слоем NiО. В связи с тем, что на оксиде никеля разложение паров этанола идет по схеме дегидрирования или дегидратации, конечным продуктом гетерореакции является водород или этан, являющиеся для оксида никеля донорными примесями. При их сорбции проводимость слоя окисла снижается. Платина для данных газов является низкотемпературным катализатором окисления. Следовательно, при использовании платины в сенсоре паров спирта на NiО будут происходить антибатные процессы: уменьшение проводимости за счет сорбции донорных материалов и увеличение ее из-за нагрева NiО в результате термокаталитического окисления газов на платине. Поэтому в сенсоре паров спирта на основе тонких пленок оксида никеля применение элементов из платины может привести к сложности трактования результатов измерений. Исследования показали, что не обладает ощутимыми термокаталитическими свойствами к продуктам разложения этилового спирта сплав NiCr, и в структуре сенсора в качестве нагревателя и информационных электродов использованы пленки из нихрома.

а) б)

Рисунок 1 – Сенсор на основе оксида никеля

а – схематическое изображение, б – фотография собранного сенсора

Рисунок 2 – Зависимость чувствительности сенсора на основе оксида никеля к парам этилового спирта при различных мощностях нагрев

Исследования сенсороных свойств пленок NiО проводились с использованием газогенератора ГР–03М. Анализируемая смесь в воде с помощью генератора паров спирта подавалась в камеру, где размещался сенсор. Значение электрического сопротивления при данной концентрации паров спирта фиксировалось с помощью омметра, и определялось значение отклика как отношение R_газ/R_воздух. При этом рабочая температура сенсора выбирается исходя из приемлемых времен отклика и восстановления к исходному значению сопротивления. Исследования NiО-сенсора в интервале мощностей 110 – 210 мВт, что соответствует диапазону температур 270-470 °С [4], при определенной концентрации спирта, показали, что чувствительность в этом диапазоне температур изменяется не существенно (Рис. 2). Результаты измерения концентрационной зависимости чувствительности для трех образцов сенсоров показаны на Рис.3. Время отклика при мощности 170 мВт (380°С) составляет менее одной минуты, восстановление сопротивления слоя после прекращения контакта с парами спирта составляет 5-10 минут. Чувствительность сенсора достаточна для измерений в широком диапазоне концентраций. Небольшой разброс в показаниях для нескольких образцов сенсоров показывает, что применяемая тонкопленочная технология обеспечивает достаточно высокую воспроизводимость характеристик.

Рисунок 3 – Чувствительность сенсора на основе оксида никеля к парам этилового спирта

В заключение отметим, что при использовании NiО-сенсора для определения паров этилового спирта и других донорных для полупроводникового оксида никеля газовых составляющих гетерореакций целесообразно выбирать исходное значение сопротивления слоя NiО достаточно низким для удобства измерения его более высокого значения при сорбции донорных газов. Это может быть достигнуто выбором толщины NiО, уменьшением размера между элементами электродов или без ущерба для других параметров повышением рабочей температуры сенсора.

Литература

1. Волькенштейн. Ф.Ф. Физика-химия на поверхности полупроводников. - М.: Наука, 1987. - 431 с.

2. Kucher L. und Schlosser E.-G. Studium des Mechanisimus der katalisiku CO-Oxydation an NiO mittels ¹⁸O-markierter Reaktionspartner // Zeit-schript fur Naturforschung.-1964. Vol.B19, H1.-S.54-58.

3. Куданович, О.Н. Универсальная подложка для тонкопленочных сенсоров // Весцi НАН Беларусi. Сер. фiз.-мат. навук. – 2005. – № 5. – С. 72-74.

4. Куданович, О.Н. Получение тонкопленочного оксида никеля для газовых сенсоров // Весцi НАН Беларусi. Сер. фiз.-мат. навук. – 2006. – № 5. – С. 71–74.