Разработка МЭМС-конструкции для полупроводникового химического газового сенсора

Объект исследования - технологические процессы изготовления кремниевого кристалла с малоинерционным микронагревателем как элемента конструкции полупроводникового химического газового сенсора; сама эта конструкция, а также экспериментальные образцы полупроводниковых химических газовых сенсоров на основе подобной конструкции. Цель исследования - разработка микроэлектромеханической структуры микронагревателя для полупроводникового химического газового сенсора и изучение конструктивно-технических решений для разработки и изготовления комплекта фотошаблонов кристалла с малоинерциальным микронагревателем для газочувствительного прибора.Проведены: разработка требований к конструкции МЭМС-микронагревателя, геометрических размеров элементов и их взаимного расположения, материалов, из которых эта структура должна быть изготовлена; исследование процессов изготовления планарных интегральных схем на кремниевых подложках для создания кремниевого кристалла с малоинерционным микронагревателем; разработка конструктивно-технологических требований к кремниевому кристаллу с малоинерционным микронагревателем; проектирование топологии кремниевого кристалла с малоинерционным микронагревателем; изготовление комплекта фотошаблонов для производства кристалла с малоинерционным микронагревателем для газочувствительного прибора. На основе результатов исследований для создания кремниевого кристалла с малоинерционным микронагревателем выбрана технологическая схема изготовления, соответствующая объемной микрообработке кремния с использованием прецизионного процесса глубокого анизотропного травления в плазме. Разработаны конструктивно-технологические требования к кристаллу с малоинерционным микронагревателем, формируемому на кремниевой подложке диам. 100 мм с минимальным топологическим размером 5 мкм. Выполнено топологическое проектирование кристалла с малоинерционным микронагревателем. Изготовлен комплект рабочих фотошаблонов в количестве четырех шаблонов для проведения контактной фотолитографии. Общее количество кристаллов с малоинерционными микронагревателями, которое возможно сформировать с помощью разработанного и изготовленного комплекта РФШ на кремниевой пластине, составляет 464. Синтезированы полупроводниковые газочувствительные материалы на основе нанокристаллического SnO₂, на основе которых с применением процесса микронакапывания изготовлена экспериментальная партия сенсоров с использованием МЭМС-микронагревателей. Проведены испытания сенсоров, установлен пренебрежимо малый фоновый уровень шума полученных сенсоров, который обеспечивает высокую чувствительность и низкий предел обнаружения газов на уровне 0,05 млн⁻¹ для СО. Установлены дрейф характеристик, постепенное улучшение сенсорных показателей - увеличение амплитуды изменения электрического сопротивления чувствительного элемента, уменьшение количества локальных эффектов, перегибов на кривой сопротивления, при длительной работе изготовленных сенсоров в динамическом температурном режиме от 150 до 500°С в присутствии высоких концентраций газов-восстановителей (водород) в высокой концентрации (до 540 млн⁻¹) при относительной влажности от 0 до 30%. В результате выполнения работы получен объект интеллектуальной собственности - патентная заявка на изобретение «Микронагреватель для полупроводникового химического газового сенсора» №2017109578 от 22.03.2017 г.