ИСТИНА

Композиционные материалы играют большую роль при разработке высокотехнологичных устройств микросистемной техники. Одной из нерешенных задач является создание стабильных микронагревателей (microhotplate), обладающих малым энергопотреблением. В настоящее время ученые многих ведущих лабораторий разрабатывают вышеуказанные устройства с применением кремниевых, SiC или Si3N4 пластин в качестве подложек. Достоинством вышеуказанных материалов является наличие отработанных методов их модифицирования/структурирования с помощью инструментария электронной промышленности. Однако при создании микронагревателей на их поверхности исследователи сталкиваются с проблемой не соответствия коэффициента термического расширения подложки и активного элемента, часто выполненного из платины, что, в конечном счете, приводит к деградации создаваемого микроустройства в процессе эксплуатации. Кроме того, высокая теплопроводность основы не позволяет локализовать горячую зону, что увеличивает потребляемую мощность. Выходом из ситуации может являться использование композитных материалов для создания микронагревателей и функциональных устройств на их основе. Проект направлен на поиск материалов стабильных в широком температурном интервале и разработку технологии формирования на их основе планарных термокаталитических сенсоров взрывоопасных газов с низким энергопотреблением. Принцип действия таких микродатчиков основан на беспламенном окислении метана (или других горючих/взрывоопасных компонентов газовой смеси) на поверхности каталитически активного элемента при повышенной температуре и измерении количества выделившегося при этом тепла, которое, при поддержании постоянства условий тепломассообмена, пропорционально концентрации метана в анализируемом воздухе.

Разработана лабораторная методика получения стабильных микронагревателей на основе пористых пленок анодного оксида алюминия. Большое внимание уделено рассмотрению особенностей структурирования анизотропных сред (пористые пленки анодного оксида алюминия) с целью создания тонкопленочных подложек требуемой формы. Технология формирования микронагревателей включает современные химические и физические методы получения наноматериалов и микроустройств, такие как анодирование, фотолитография, вакуумное напыление, электрохимическое осаждение и др. Отметим, что проблема создания маломощных нагревателей для различных устройств микросистемной техники пока не нашла общепризнанного решения, что в основном связано с существенным увеличением реакционной способности и уменьшением температуры плавления веществ в нанокристаллическом состоянии. Уменьшение площади сечения проводника, выступающего в качестве нагревателя, приводит к резкому уменьшению его стабильности и быстрому перегоранию. Особое внимание было уделено поиску путей увеличения стабильности микронагревателей, в частности, оптимизации их состава и толщины, а также параметров защитных диэлектрических слоев, наносимых на поверхность металла. Итоговые результаты: Основная фундаментальная задача проекта включала в себя поиск и оптимизацию композиционных материалов, устойчивых в широком температурном интервале, и создание планарных термокаталитических сенсоров горючих газов на их основе. Для решения этой задачи нами была разработана методика, включающая в себя синтез пористых пленок анодного оксида алюминия с заданной толщиной и диаметром пор, нанесение на оксидную основу массива тонкопленочных микронагревателей с защитным слоем методами взрывной фотолитографии и вакуумного напыления и нанесение раствора прекурсоров катализатора, содержащих PdCl2 и H2PtCl6. Анализ микроструктуры, состава и функциональных свойств полученных образцов выполнен с помощью набора современных аналитических методов, включающих растровую электронную микроскопию высокого разрешения, рентгеноспектральный микроанализ, комбинационное рассеяние, а также вольтамперометрию. Наиболее стабильные характеристики соответствуют термокаталитическим сенсорам с платиновым нагревателем, на поверхность которого нанесен защитный слой SiO. Деградация сенсоров связана, в основном, со следующими факторами: термо- и электродиффузцией атомов Pt в микронагревателе, что приводит к возникновению дефектов в его структуре и последующему перегоранию; постепенной агрегации частиц катализатора и изменения состава катализатора вследствие формирования летучих соединений палладия. После оптимизации методики нами были изготовлены планарные термокаталитические сенсоры, обладающие достаточно высокой чувствительностью – более 15 мВ/%СH4 при работе в мостовой измерительной схеме. Следует отметить, что в литературе отсутствуют данные о применении анодного оксида алюминия в качестве подложки для изготовления планарных термокаталитических газовых сенсоров. В связи с этим, выполненные исследования можно считать новаторскими. В настоящем проекте было проведено исследование и оптимизация всех составных частей сенсора – пористой подложки из анодного оксида алюминия, микронагревателя, а также наночастиц катализатора окисления метана. Считаем, что полученные результаты демонстрируют работоспособность представленной концепции создания планарных чувствительных элементов термокаталитических сенсоров горючих газов и паров. При дальнейшем развитии данной технологии особое внимание стоит уделить вопросам стабильности выходного сигнала.