ES2312993T3 - Dispositivo sensor de gas de pelicula semiconductora fina. - Google Patents
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Abstract
Un dispositivo sensor de gas de película fina, que comprende un sustrato (2) aislante que tiene al menos dos caras, una pluralidad de elementos (3, 4) sensores fabricados de película semiconductora fina aplicada a una única cara del sustrato (2) y equipados con regiones (5, 6, 7) de contacto respectivas, un elemento (8) de calentamiento resistivo para calentar el sustrato (2) y la película (3, 4) semiconductora hasta una temperatura predeterminada, aplicándose el elemento (8) de calentamiento resistivo a dicha única cara del sustrato (2) y estando equipado con regiones (9, 10) de contacto respectivas para la conexión a una fuente de energía eléctrica; caracterizado porque dicho elemento (8) de calentamiento resistivo presenta un patrón de serpentina con una pluralidad de curvas y porque cada película (3, 4) semiconductora está situada en una curva no consecutiva de la serpentina.
Description
Dispositivo sensor de gas de película
semiconductora fina.
La presente invención se refiere a un
dispositivo sensor de gas de película semiconductora fina del tipo
que comprende un sustrato aislante, una película semiconductora
fina aplicada al sustrato y un elemento de calentamiento resistivo
para calentar el sustrato y la película semiconductora hasta una
temperatura de funcionamiento predeterminada.
\vskip1.000000\baselineskip
Los dispositivos sensores del tipo mencionado
anteriormente se conocen muy bien por los expertos en la industria
y se han fabricado a gran escala desde los años 70.
Inicialmente, el sensor se fabricaba mediante la
deposición de la película sobre un sustrato de cerámica con forma
de tubo y usando como elemento de calentamiento un hilo fabricado
de metal de alto punto de fusión.
Según los procedimientos de fabricación
recientes, puede obtenerse una reproducibilidad de sensor mejorada
usando un sustrato de alúmina que tiene, sobre una cara, el
elemento de calentamiento fabricado de materiales conductores, y
sobre la otra, la película de sensor de gas y los contactos
eléctricos.
Se proporciona un estudio completo de los
procedimientos de producción de sensores basados en la deposición
por pulverización catódica (bombardeo catódico) de todas las
películas que constituyen el sensor mediante la bibliografía
listada a continuación, enumerada 1-16:
[1] G. Sberveglieri et al.,
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457-461, Elsevier Sequoia S.A., Lausanne;
[2] G. Sberveglieri et al.,
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[3] G. Sberveglieri et al.,
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[4] G. Sberveglieri et al.,
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[6] G. Sberveglieri, Sensors and
Actuators B 6 (1992), páginas 239-247,
Elsevier Sequoia S.A.;
[7] G. Sberveglieri et al.,
Sensors and Actuators B 15-16 (1993), páginas
86-89, Elsevier Sequoia S.A.;
[8] G. Sberveglieri, Abstract New
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13-14, 1993, Castro Marina (Italia);
[9] G. Sberveglieri, S. Groppelli,
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[10] G. Sberveglieri, Sensors and
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[11] G. Sberveglieri et al.,
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334-337, VCH Verlagsgesellschaft mbH;
[12] M. Ferroni et al., Sensors
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Elsevier Science S.A.;
[13] G. Faglia et al., Sensors and
Actuators B 57 (1999), páginas 188-191,
Elsevier Science S.A.;
[14] E. Comini et al., Sensors and
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[15] E. Comini et al., Sensors and
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[16] E. Comini et al., J. Mater.
Res., 16 Nº 6 (2001), páginas 1559-1564,
Material Research Society.
\vskip1.000000\baselineskip
En la mayoría de los casos, el patrón de la
película de sensor se obtiene utilizando tecnología de máscara de
sombra.
Las figuras 1 a 7, relacionadas con la técnica
anterior, ilustran esquemáticamente las etapas en la producción de
un sensor de dos lados.
El procedimiento global comprende dos etapas
para la cara inferior, es decir, depositar las regiones (reóforos)
y depositar el elemento de calentamiento, y tres etapas para la
cara superior, que comprende las etapas de depositar la película,
las regiones y los electrodos interdigitados.
El procedimiento de la técnica anterior descrito
anteriormente tiene limitaciones inherentes, principalmente cuando
las cuatro clavijas van a soldarse al sustrato y a la cubierta
microelectrónica que puede ser, por ejemplo, un T08 o tipo similar
de empaquetamiento.
En primer lugar, cuando tienen que soldarse dos
hilos al elemento de calentamiento tras soldar primero los dos hilos
de la película de sensor de gas, o viceversa, es necesario darle la
vuelta al sustrato. Esta es una operación bastante difícil que
ralentiza el procedimiento de soldadura y puede conducir a daño a
las películas que constituyen el sensor.
En segundo lugar, el sustrato no puede soldarse
directamente a la cubierta, sino que debe soldarse en dos
etapas:
- -
- soldar primero los hilos al sensor, y
- -
- soldar después a la cubierta.
Esto ralentiza adicionalmente el procedimiento
de producción.
El documento US 4,338,281 da a conocer un sensor
de gas semiconductor de película fina que comprende un sustrato
aislante que tiene dos caras; un elemento sensor separado que tiene
regiones de contacto respectivas, estando fabricado dicho elemento
sensor de película semiconductora fina y aplicándose a una única
cara del sustrato; un elemento de calentamiento resistivo para
calentar hasta una temperatura predeterminada el sustrato y la
película semiconductora aplicada al mismo, aplicándose el elemento
de calentamiento a dicha única cara del sustrato y estando equipado
con regiones de contacto respectivas para la conexión a una fuente
de energía eléctrica. El documento US 4,389,373 da a conocer un
sensor de corriente fónica que tiene electrodos de medición en un
primer lado del sustrato y un calentador formado en un patrón
sinuoso en el mismo lado.
Un objetivo de la presente invención es
proporcionar un dispositivo sensor de gas mejorado que alcance la
temperatura de funcionamiento de manera rápida y eficaz y que
también proporcione una señal de temperatura.
Según un aspecto de la misma, la presente
invención proporciona un dispositivo sensor de gas como se define
en la reivindicación 1.
Otro objetivo de la presente invención es
proporcionar un procedimiento para la producción de un dispositivo
sensor de gas, por el que se fabrican al menos un elemento sensor
de gas y un elemento de calentamiento resistivo mediante etapas de
deposición sucesivas.
Según otro aspecto de la misma, la presente
invención proporciona un procedimiento para fabricar un dispositivo
sensor de gas como se define en la reivindicación 12.
Las reivindicaciones dependientes describen
realizaciones preferidas, ventajosas, de la invención.
Ahora se describirán las realizaciones
preferidas de la invención, sin limitarse al alcance del concepto
de la invención, con referencia a los dibujos adjuntos, en los
que:
- las figuras 1 a 7 ilustran esquemáticamente
las etapas en la producción de un sensor de dos lados de tipo
conocido, tal como se comentó anteriormente, y, más
específicamente:
- \quad
- la figura 1 ilustra la cara inferior del sensor como es inicialmente;
- \quad
- la figura 2 ilustra la cara inferior del sensor de gas tras la deposición de las regiones;
- \quad
- la figura 3 ilustra la cara inferior del sensor de gas tras la deposición del elemento de calentamiento;
- \quad
- la figura 4 ilustra la cara superior del sensor de gas como es inicialmente;
- \quad
- la figura 5 ilustra la cara superior del sensor de gas tras la deposición de la película;
- \quad
- la figura 6 ilustra la cara superior del sensor de gas tras la deposición de las regiones;
- \quad
- la figura 7 ilustra la cara superior del sensor de gas tras la deposición de los contactos interdigitados;
- la figura 8 ilustra esquemáticamente una
primera máscara de sombra para depositar la película de sensor;
- las figuras 9 y 10 ilustran esquemáticamente
una segunda y una tercera máscaras de sombra usadas para fabricar
las regiones de contacto;
- la figura 11 es una imagen registrada con un
microscopio óptico de un sensor según la invención;
- la figura 12 ilustra esquemáticamente el
sensor de la figura 11;
- las figuras 13 y 14 son diagramas que ilustran
respectivamente la respuesta a dos concentraciones de CO (20, 200
ppm) del primer y el segundo sensores semiconductores de SnO_{2}
del dispositivo según la invención; y
- la figura 15 muestra la curva de calibración
de temperatura-potencia para un dispositivo según la
invención.
La descripción que sigue se proporciona
meramente a modo de ejemplo y se refiere a una realización
preferida específica del dispositivo sensor, como se ilustra en las
figuras 11 y 12. El dispositivo, indicado en su totalidad mediante
el número 1, comprende un sustrato 2 aislante, que tiene sobre una
única cara del mismo sensores de gas fabricados de dos películas 3,
4 semiconductoras, cada una en contacto eléctrico con regiones
conductoras respectivas conectadas a un instrumento para medir la
resistencia eléctrica de los sensores, etiquetadas con 5, 6 y 7, y
un elemento 8 de calentamiento resistivo dotado de regiones 9 y 10
de contacto conectadas a una fuente de energía eléctrica.
El sustrato 2 normalmente está fabricado de
alúmina, pero la invención también contempla el uso de otros tipos
de sustrato, tales como sustratos fabricados de silicio revestidos
con una capa aislante.
La tabla a continuación muestra las dimensiones,
en milímetros, indicadas en los dibujos adjuntos.
Estas dimensiones se facilitan únicamente con
fines de información y no son limitantes. Así, por ejemplo, el
sustrato puede medir 3 mm x 3 mm (dimensión "a"), pero también
podría ser más pequeño, por ejemplo 2 mm x 2 mm, con un espesor del
orden de aproximadamente 250 \mum.
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
El sustrato 2 puede tener un área superficial de
entre 1 y 25 mm^{2}, y preferentemente entre 4 y 9 mm^{2}.
La deposición de las películas de sensor del
elemento de calentamiento y de las regiones de contacto
relacionadas se lleva a cabo mediante pulverización catódica o
proyección catódica usando máscaras de sombra como las ilustradas
en las figuras 8, 9 y 10.
La primera etapa es depositar la película
sensible usando una máscara (figura 8) que tiene sólo dos aberturas
3a y 4a, colocadas preferentemente en la parte central del
sustrato. Si tienen que depositarse dos películas sensibles
diferentes, la máscara de la figura 8 tendrá una única abertura y se
usará en dos procedimientos de deposición sucesivos.
Los expertos en la industria conocen la
composición química de la película semiconductora y comprende
óxidos metálicos tales como óxido de estaño, hierro y zinc.
Una vez que se ha depositado la película
sensible y, si es necesario, se ha oxidado/estabilizado
térmicamente, el procedimiento continúa con la deposición de las
regiones de contacto usadas para soldar los hilos de oro. La
deposición de las regiones de contacto permite calibrar las
propiedades eléctricas de las películas sensibles y posibilita
alimentar el elemento 8 de calentamiento resistivo, que consiste
preferentemente en metal noble (platino) con un patrón de
serpentina, que está diseñado para alcanzar la temperatura de
funcionamiento y que también puede usarse como un sensor de
temperatura.
La deposición de las regiones de contacto se
lleva a cabo preferentemente en dos etapas. En una primera etapa,
se depositan capas de adhesión de titanio/tungsteno sobre el
sustrato 2 usando una máscara similar a la ilustrada en la figura 9
que, para este fin, tiene dos aberturas 14a y 15a para formar las
capas de adhesión para los regiones 9 y 10 de contacto del elemento
8 de calentamiento resistivo y tres aberturas 11a, 12a y 13a para
formar los regiones 5, 6 y 7 de contacto de película sensible,
siendo la abertura 13a para la capa de adhesión para el contacto de
tierra.
En una segunda etapa, se depositan el elemento 8
de calentamiento resistivo de metal noble (platino) y una segunda
capa de metal noble (platino) sobre las capas de adhesión
mencionadas anteriormente. Esta etapa se lleva a cabo usando una
máscara como la ilustrada en la figura 10 que tiene las aberturas
8a, 9a y 10a usadas, respectivamente, para obtener el patrón del
elemento 8 de calentamiento resistivo y la segunda capa de metal
noble (platino) de las regiones 9 y 10 de contacto, y las aberturas
5a, 6a y 7a usadas para obtener el patrón de la segunda capa de
platino para las regiones 5, 6 y 7 de contacto de las dos películas
sensibles.
El espesor de esta segunda capa de deposición
depende del tipo de mediciones llevadas a cabo, del intervalo de
temperatura requerido y de la tensión que va a aplicarse al
elemento de calentamiento.
En la configuración preferida actualmente, el
elemento 8 de calentamiento resistivo presenta un patrón de
serpentina con una pluralidad de curvas, y las dos películas 3 y 4
semiconductoras sensibles se disponen sobre el sustrato de tal
manera que están dentro de dos curvas no consecutivas de la
serpentina con la abertura en el mismo lado.
En esta realización, las regiones de contacto de
las películas semiconductoras comprenden preferentemente un
elemento 7 con forma de U, cuyas ramificaciones, cuyos extremos
están respectivamente en contacto con las dos películas 3 y 4
semiconductoras, se extienden hacia las dos curvas no
consecutivas.
Se entenderá que el patrón del elemento de
calentamiento resistivo puede diferir del descrito e ilustrado en
el presente documento, para alcanzar la misma temperatura de
funcionamiento con menos potencia eléctrica.
Los diagramas de las figuras 13 y 14 muestran
los resultados de la caracterización eléctrica realizada en las dos
películas de sensor de SnO_{2} del dispositivo según la
invención.
El dispositivo se sometió a prueba usando
monóxido de carbono a tres concentraciones diferentes: 5 (no
mostrada en el diagrama), 20 y 200 ppm. Los gráficos muestran la
variación de la corriente eléctrica con variaciones en la
concentración de CO a una temperatura de funcionamiento de 400ºC.
Las curvas de respuesta para ambas películas de sensor en el
dispositivo son casi idénticas.
Gracias a la presencia de dos sensores de gas
sobre un único sustrato, se proporcionan dos señales eléctricas
diferentes (en el caso de dos capas diferentes) para la misma
mezcla de gas que va a analizarse. Esto aumenta la selectividad del
sensor, dado que puede realizarse un análisis adecuado de las
señales con algoritmos apropiados.
Una ventaja adicional es la posibilidad de
soldar hilos finos de manera más rápida y fácil con menos riesgo de
dañarlos. Las películas sensibles y el filamento de calentamiento
pueden soldarse en secuencia sin dar la vuelta al sustrato. Además,
con un soporte apropiado, el dispositivo puede soldarse directamente
a la cubierta, que puede ser, por ejemplo, un empaquetamiento
TO8.
Aún otra ventaja es que el procedimiento de
producción, que requiere sólo tres etapas, es más sencillo en
comparación con la técnica anterior, dado que los contactos
eléctricos para tanto las películas como el elemento de
calentamiento pueden fabricarse en una única etapa.
Además, las capas de adhesión de
titanio/tungsteno tanto para el elemento de calentamiento resistivo
como para las dos regiones de contacto de película sensible también
pueden depositarse en una única etapa.
Claims (15)
1. Un dispositivo sensor de gas de película
fina, que comprende un sustrato (2) aislante que tiene al menos dos
caras, una pluralidad de elementos (3, 4) sensores fabricados de
película semiconductora fina aplicada a una única cara del sustrato
(2) y equipados con regiones (5, 6, 7) de contacto respectivas, un
elemento (8) de calentamiento resistivo para calentar el sustrato
(2) y la película (3, 4) semiconductora hasta una temperatura
predeterminada, aplicándose el elemento (8) de calentamiento
resistivo a dicha única cara del sustrato (2) y estando equipado
con regiones (9, 10) de contacto respectivas para la conexión a una
fuente de energía eléctrica; caracterizado porque dicho
elemento (8) de calentamiento resistivo presenta un patrón de
serpentina con una pluralidad de curvas y porque cada película (3,
4) semiconductora está situada en una curva no consecutiva de la
serpentina.
2. El dispositivo sensor de gas según la
reivindicación 1, en el que el dispositivo comprende
preferentemente desde dos hasta cuatro sensores, aplicándose cada
elemento sensor separado a dicha única cara del sustrato (2).
3. El dispositivo sensor de gas según la
reivindicación 1 ó 2, en el que el sustrato (2) está fabricado de
alúmina.
4. El dispositivo sensor de gas según la
reivindicación 1 ó 2, en el que el sustrato (2) está fabricado de
silicio revestido con una capa aislante.
5. El dispositivo sensor de gas según cualquiera
de las reivindicaciones anteriores, en el que el sustrato (2) tiene
un área superficial de entre 1 y 25 mm^{2}, preferentemente entre
4 y 9 mm^{2}.
6. El dispositivo sensor de gas según cualquiera
de las reivindicaciones anteriores, en el que las regiones (5, 6,
7, 9, 10) de contacto comprenden una primera capa fabricada de
titanio, depositada sobre el sustrato (2), y una segunda capa
superpuesta de platino.
7. El dispositivo sensor de gas según cualquiera
de las reivindicaciones 1 a 5 anteriores, en el que las regiones
(5, 6, 7, 9, 10) de contacto comprenden una primera capa fabricada
de tungsteno, depositada sobre el sustrato, y una segunda capa
superpuesta de platino.
8. El dispositivo sensor de gas según cualquiera
de las reivindicaciones anteriores, en el que comprende al menos
dos películas (3, 4) semiconductoras y en el que las regiones (5, 6,
7) de contacto para la conexión de las películas semiconductoras
comprenden un elemento (7) con forma de U, cuyas ramificaciones,
que están en contacto con una película (3, 4) semiconductora
respectiva, se extienden hacia las curvas del elemento (8) de
calentamiento resistivo.
9. El dispositivo sensor de gas según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la
película (3, 4) semiconductora está fabricada de óxido de
estaño.
10. El dispositivo sensor de gas según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la
película (3, 4) semiconductora está fabricada de óxido de zinc.
11. El dispositivo sensor de gas según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la
película (3, 4) semiconductora está fabricada de óxido de
hierro.
12. Un procedimiento para fabricar un
dispositivo sensor de gas de película fina caracterizado
porque comprende las etapas de:
- \quad
- depositar mediante pulverización catódica una pluralidad de elementos sensores separados fabricados de película (3, 4) semiconductora fina sobre una única cara de un sustrato (2) aislante;
- \quad
- depositar capas de adhesión metálicas sobre el sustrato aislante
- \quad
- depositar sobre las capas de adhesión sobre la cara de sustrato un elemento (8) de calentamiento resistivo de metal noble que presenta un patrón de serpentina con una pluralidad de curvas; disponer cada una de dichas películas (3, 4) semiconductoras finas sobre dicho sustrato (2) aislante dentro de una curva no consecutiva de la serpentina; y
- \quad
- depositar simultáneamente regiones (5, 6, 7, 9, 10) de contacto de metal noble sobre dicha cara de capa de adhesión de la superficie aislante para conectar eléctricamente el elemento (3, 4) sensor y el elemento (8) de calentamiento resistivo.
13. El procedimiento para fabricar un
dispositivo sensor según la reivindicación 12, en el que la etapa
de depositar capas de adhesión metálicas forma una capa de titanio
para las regiones (9, 10) de contacto para la conexión de los
elementos sensores y del elemento (8) de calentamiento
resistivo.
14. El procedimiento para fabricar un
dispositivo sensor según la reivindicación 12, en el que la etapa
de depositar capas de adhesión metálicas forma una capa de tungsteno
para los regiones (9, 10) de contacto para la conexión de los
elementos sensores y del elemento (8) de calentamiento
resistivo.
15. El procedimiento para fabricar un
dispositivo sensor según cualquiera de las reivindicaciones 12 a 14
anteriores, en el que la etapa de depositar mediante pulverización
catódica un elemento sensor separado se realiza una pluralidad de
veces, por lo que se depositan una pluralidad de elementos (3, 4)
sensores separados sobre una única cara del sustrato (2).
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