Ученые улучшили микронагреватели для миниатюрных газовых сенсоров

«Люди давно научились использовать природный газ для своих нужд, но работа с ним сопряжена с опасностью. Каждый месяц мы слышим, что где-то взорвался бытовой газ, что привело к гибели людей и разрушению зданий», — рассказывает соавтор статьи, ведущий научный сотрудник химического факультета МГУ Кирилл Напольский.

<p>Для своевременного обнаружения утечек газа используются специальные сенсоры. Неотъемлемая их часть — нагревательный элемент, который чаще всего изготавливают в виде катушки из металлической проволоки с диаметром несколько десятков микрон. У них есть ряд недостатков, поэтому по всему миру разрабатываются планарные микронагреватели, которые более компактны, потребляют меньшее количество электроэнергии, быстрее разогреваются, а их производство может быть сравнительно легко автоматизировано. Планарные микронагреватели уже нашли применение в термокаталитических и полупроводниковых газовых сенсорах, термометрах сопротивления и чипах для микрофлюидики.<p>Чаще всего материалом для изготовления проводящей части нагревателя выступает платина — химически инертный металл с высокой температурой плавления, в широком интервале температур сохраняющий постоянное значение температурного коэффициента сопротивления. Проблема в том, что прямое нанесение слоя платины на оксидную подложку заканчивается ее отслоением при повышении температуры. Поэтому необходимо использовать адгезионные слои между электропроводящим и непроводящим материалами. В качестве такого промежуточного звена может выступать слой из металла с высоким сродством к кислороду, который создает прочные химические связи и с оксидной подложкой, и с платиной. Однако круг элементов, которые пригодны для такой цели, весьма ограничен. Материал адгезионного слоя не должен вступать в химическую реакцию с платиной при высокой температуре, тогда как, например, традиционно используемые титан или хром при продолжительном отжиге диффундируют в слой платины.<p>Одним из перспективных кандидатов на роль адгезионного слоя стал тантал. Химики МГУ решили создать двухслойную систему тантал-платина и охарактеризовать ее структурные и электрические свойства. В качестве подложки для микронагревателей был выбран пористый анодный оксид алюминия. С помощью фотолитографии и магнетронного напыления ученые нанесли на подложку сначала слой тантала толщиной 10 нм, а затем — 90 нм платины.

«Вместо проволоки большого диаметра в планарных нагревательных элементах мы используем тонкие слои, которые должны быть сконфигурированы так, чтобы обеспечить равномерный нагрев активной зоны. Поэтому мы выбрали форму меандра, — поясняет Кирилл Напольский. — Широкие части имеют малое сопротивление, поэтому они не греются при протекании тока, а вот более узкая часть, наоборот, разогревается». 

<p>Для работы сенсора необходимо, чтобы в нем поддерживалась температура около 500°С, однако в таких условиях в тонких пленках обычно начинается рекристаллизация — увеличение размеров кристаллов, создававших поликристаллический, но непрерывный слой. Ученые выяснили, что при использовании двухслойной системы тантал-платина даже при температуре 800°С благородный металл не превращается в несвязанные кристаллиты, как это бывает при его использовании в чистом виде, а представляет собой единую, хоть и сетчатую структуру, способную проводить ток.<p>Также выяснилось, что тантал в системе присутствует между пористым материалом и платиной в основном в виде оксида Ta2O5, но в то же время присутствуют включения неокисленного тантала в платиновом слое, хотя и очень немного, порядка 2%. Это говорит о том, что при перекристаллизации платины небольшая часть тантала все же уходит внутрь платинового слоя, где сохраняется в исходном металлическом виде.<p>Химикам удалось установить условия формирования, при которых микронагреватели оказываются стабильны при 500°С, увеличивая сопротивление всего лишь на 3% в месяц при постоянной работе. В результате за год этот показатель возрастет всего лишь на треть, что авторы считают некритичным. <p>В настоящее время исследовательская группа готовится представить на основе предложенной нагревательной системы полноценный сенсор.