Пассивный беспроводный датчик ультрафиолетового излучения на поверхностных акустических волнах

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано в технологии конструирования полупроводниковых датчиков (ППД) ультрафиолетового излучения (УФИ) с чувствительным слоем, выполненным из полупроводниковой пленки.

Известен датчик ультрафиолетового излучения на основе полупроводниковых пленок [1] (патент РФ №2392693, МПК-2006.01 H01L 31/101, от 20.06.2010). В этом датчике, представляющем кремниевую подложку, на одну из поверхностей которой нанесен титановый электрод, поверх которого нанесена пленка нитрида алюминия. На пленку нанесен полупрозрачный электрод из платины. При попадании ультрафиолетового излучения (УФИ) на пленку нитрида алюминия через полупрозрачный электрод на электродах датчика появляется фотоэдс или он может работать в режиме обратно включенного фотодиода, сопротивление которого зависит от мощности источника УФ. Такой способ индикации УФИ требует дополнительного источника напряжения, даже если он работает в режиме фотоэдс, так как необходимо преобразовать сигнал для передачи его по радиоканалу или необходимо притягивать провода к датчику для снятия с него показаний, что является существенным недостатком данного датчика. Тот же недостаток имеет датчик [2] (US patent 9064987, МПК-2014.01, H01L 31/0232, от 23.06.2015), в котором в качестве чувствительного слоя используется пленка окиси цинка. Кроме того, наличие полупрозрачного электрода приводит к некоторому ослаблению УФИ, что снижает чувствительность датчика. Совсем избавиться от полупрозрачного электрода, а также непосредственно влиять на частоту - центральную частоту генератора передатчика для связи по радиоканалу, предложено в работах [3] (Wenbo Peng, Yongning Неа, Changbao Wen, Ke Ma "Surface acoustic wave ultraviolet detector based on zinc oxide nanowire sensing layer" //Sensors and Actuators A 184 (2012) 34-40), [4] (Venkata Chivukula, Daumantas Ciplys, Michael Shur, and Partha Dutta "ZnO nanoparticle surface acoustic wave UV sensor" //APPLIED PHYSICS LETTERS 96, 233512, 2010), [5] (Wen-Che Tsai, Hui-ling Kao, Kun-Hsu Liao, Yu-Hao Liu, Tzu-Ping Lin, and Erik S. Jeng "Room temperature fabrication of ZnO/ST-cut quartz SAW UV photodetector with small temperature coefficient" // OPTICS EXPRESS, 9 Feb 2015 Vol. 23, No. 3, 2187), [6] (Sanjeev Kumar, Gil-Ho Kim, K. Sreenivas, R.P. "Tand on ZnO based surface acoustic wave ultraviolet photo sensor" // J. Electroceram (2009) 22, p. 198-202), [7] (Wang Wen-Bo, Gu Hang, He Xing-Li, Xuan Wei-Peng, Chen Jin-Kai, Wang Xiao-Zhi, and Luo Ji-Kui "Transparent ZnO/glass surface acoustic wave based high performance ultraviolet light sensors" // Chin. Phys. В Vol. 24, No. 5 (2015) 057701), [8] (US patent 7989851, МПК-2006.01 H01L 29/82, от 02.08.2011), [9] (US patent 6914279, МПК-2006.01 H01L 29/82, от 07.05.2005), [10] (US patent 6621192, МПК⁷ H01L 41/08, от 16.09.2003). Там предложен датчик, содержащий пьезоэлектрическую подложку, на рабочей поверхности которой в одном акустическом канале расположены приемный и передающий встречно-штыревые преобразователи и пленка, чувствительная к УФИ, между ними [3, 4, 5] и акустический поглотитель на торцах подложки. Также предложен датчик, в котором используется не пьезоэлектрическая подложка, на которую нанесена полупроводниковая пьезоэлектрическая пленка, чувствительная к УФИ, на которой расположены в одном акустическом канале приемный и передающий ВШП [6, 7]. Это позволяет по сдвигу центральной частоты передатчика измерять интенсивность УФИ без всяких других сигнал преобразующих схем, что упростит конструкцию датчиков УФИ и повысит их надежность. Принцип действия новых датчиков основан на изменении затухания и скорости поверхностных акустических волн (ПАВ) от интенсивности УФИ из-за акустоэлектронного взаимодействия ПАВ с электронами проводимости в полупроводниковом слое, находящемся на поверхности пьезоэлектрической подложки, вдоль которой распространяются ПАВ. Концентрация электронов, в свою очередь, зависит от интенсивности УФИ, что и позволяет судить о наличии и интенсивности УФИ. Так как при акустоэлектронном взаимодействии меняется скорость ПАВ, то это приводит изменению центральной частоты встречно-штыревого преобразователя [6, 7], если встречно-штыревые преобразователи (ВШП) нанесены на пленку оксида цинка, которая также обладает пьезоэлектрическими свойствами, или к сдвигу частоты генерации [3, 4, 5, 8, 9, 10], если пленка, чувствительная к УФИ, находится между приемным и передающим ВШП. Так как скорость ПАВ зависит от температуры, то центральная частота ВШП или частота генерации будет зависеть от температуры, что необходимо учитывать при измерении УФИ. Для измерения центральной частоты ВШП требуется специальная схема, требующая источник напряжения, а для датчика, работающего в режиме генератора, частота которого зависит от УФ, также требуется источник напряжения, что является существенным недостатком описываемых датчиков.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в упрощении конструкции и повышении надежности датчиков. Технический результат, который дает осуществление изобретения, заключается в том, что конструкция датчика выполнена таким образом, что позволяет определять наличие и интенсивность УФИ без дополнительных схем для генерации радиосигнала и источника напряжения.

Это позволяет конструкция, содержащая пьезоэлектрическую подложку, на рабочей поверхности которой в одном акустическом канале находятся приемо-передающий однонаправленный ВШП и два отражательных ВШП, причем между отражательными ВШП на расстоянии не более длины ПАВ на центральной частоте ВШП, параллельно поверхности расположена чувствительная к УФИ полупроводниковая пленка, нанесенная на диэлектрическую подложку, прозрачную для УФИ, которая лежит на опорах, находящихся по обе стороны от акустического канала на краях пьезоэлектрической подложки между отражательными ВШП, а к приемо-передающему ВШП подсоединена приемо-передающая антенна.

На чертеже показана конструкция датчика. Датчик содержит пьезоэлектрическую подложку (пьезоэлектрический звукопровод) 1, на рабочей поверхности которого в одном акустическом канале расположены приемо-передающий однонаправленный ВШП 2 и отражательные ВШП 3 и 4. Между этими ВШП на расстоянии не более длины ПАВ на центральной частоте ВШП параллельно поверхности пьезоэлектрической подложки расположена диэлектрическая подложка 5, прозрачная для УФИ, с полупроводниковой пленкой 6, чувствительной к УФИ, которая расположена на поверхности, обращенной к пьезоэлектрической подложке 1, а к приемо-передающему ВШП подсоединена приемо-передающая антенна 7. На торцах подложки расположены акустические поглотители 8, а для обеспечения необходимого зазора между полупроводниковой пленкой 5 и пьезоэлектрической подложкой 1 на ее краях расположены опоры 9 вне акустического канала по обе стороны от него.

Датчик работает следующим образом. При подаче на приемо-передающую антенну 7 считывающего электромагнитного импульса от опросного устройства последний в ВШП 2 преобразуется в импульс ПАВ, который отражается от отражательных ВШП 3 и 4. ВШП 2 выполнен однонаправленным [11] (патент РФ №2195069 С1, МПК⁷ Н03Н 9/145 дата опубл. 2002.12.20), чтобы ПАВ излучались преимущественно в сторону отражателей, что приведет к уменьшению затухания отраженных от датчика электромагнитных импульсов, так как излучение ПАВ в противоположную сторону (в сторону поглотителя ПАВ 8) в 10 раз меньше, чем в сторону отражателей ПАВ 3, что уменьшает потери энергии электромагнитного импульса на преобразование в ПАВ, распространяющихся в сторону отражательных ВШП. Чтобы ПАВ, излученные к торцам, не искажали работу датчика (приводили к ложным импульсам) на торце пьезоэлектрической подложки нанесен поглотитель ПАВ 8, который поглощает ПАВ и не дает им попасть снова на ВШП 2. Отраженные от отражательных ВШП импульсы ПАВ попадают обратно на приемо-передающий ВШП. Там они преобразуются в электрический сигнал, который наводит в антенне электромагнитный импульс, который излучается обратно на опросное устройство. Между отражательными ВШП на опорах 9 лежит диэлектрическая подложка 5, на поверхности которой, обращенной к пьезоэлектрической подложке 1, нанесена полупроводниковая пленка оксида цинка 6. Так как эта пленка находится на расстоянии не более длины ПАВ на центральной частоте ВШП от поверхности, вдоль которой распространяются ПАВ, то в нее проникает электрическое поле, сопровождающее ПАВ в пьезоэлектрике [12] (Морган Д. «Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах»: Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1990. - 416 с.: ил.). Это приводит к взаимодействию электрического поля с электронами проводимости в полупроводнике и обусловливает дополнительное затухание ПАВ и изменение их скорости в результате акустоэлектронного взаимодействия [13] (Викторов И.А. «Звуковые поверхностные волны в твердых телах». - М.: Наука, 1981). При попадании УФИ на полупроводниковую пленку через прозрачную диэлектрическую подложку концентрация электронов в ней увеличивается, что приводит к увеличению затухания ПАВ. Это в свою очередь приводит к уменьшению амплитуды импульса ПАВ, который отражается от дальнего отражательного ВШП 4 по сравнению с импульсом ПАВ, отраженным от ближнего отражательного ВШП 3. Концентрация свободных электронов в полупроводниковой пленке оксида цинка подбирается таким образом, что при увеличении интенсивности УФИ затухание ПАВ увеличивается. Поэтому, чем больше интенсивность УФИ, тем меньше амплитуда отраженного импульса ПАВ от отражательного ВШП 4 по сравнению с импульсом, отраженным от отражательного ВШП 3. Сравнение амплитуд этих импульсов и дает информацию о интенсивности УФИ.

Пример выполнения. Датчик выполнен на пьезоэлектрической подложке 1 из YX/128° - среза ниобата лития размерами 12×1,4×0,5 мм. ВШП 2 выполнен с внутренними отражателями на центральную частоту ₀=870 МГц и длиной в 33 длины ПАВ на центральной частоте, что обеспечивает однонаправленный режим в 15 дБ, отражательные ВШП 3,4 выполнены в виде двунаправленных ВШП с числом электродов, равным 3. Расстояние между отражательными ВШП равно 6 мм. Период всех ВШП выбран равным длине ПАВ на центральной частоте и равен 4,4 мкм. Величина перекрытия электродов во всех ВШП выбрана равной 80 длинам ПАВ на центральной частоте. Опоры 9 для обеспечения необходимого зазора и прижатия подложки 5 были изготовлены из иттрийстабилизированного циркония толщиной 2 мкм методом лазерного напыления через маску из фоторезиста. Пьезоэлектрическая подложка расположена в герметичном SMD корпусе 12 (корпус KD-V99377-A фирмы «KYOCERA»), к выводам которого подсоединена антенна 7 в виде полуволнового вибратора длиной 16 см. На торцы подложки нанесены акустические поглотители 8 из эластосила. Полупроводниковая пленка 6 из оксида цинка толщиной 1 мкм нанесена на подложку 5 из сапфира толщиной 450 мкм методом лазерного напыления. Пленка имеет концентрацию электронов около 10¹⁶ 1/см³. При воздействии на нее УФИ концентрация электронов в ней повышается таким образом, что максвеловская частота релаксации должна быть близка к при интенсивности излучения около 1 mW/см². Как показали измерения, амплитуда ПАВ импульса, отраженного от отражательного ВШП 4 при наличии УФИ интенсивностью 1 mW/см² уменьшилась на 25% по сравнению со случаем, когда излучение отсутствовало.

Источники информации

1. Патент РФ №2 392 693, МПК-2006.01 H01L 31/101, от 20.06.2010.

2. US patent 9064987, МПК-2014.01, H01L 31/0232, от 23.06.2015.

3. Wenbo Peng, YongningHea, ChangbaoWen, KeMa "Surface acoustic wave ultraviolet detector based on zinc oxide nanowire sensing layer" //Sensors and Actuators A 184 (2012) 34-40

4. Venkata Chivukula, Daumantas Ciplys, Michael Shur, and Partha Dutta "ZnO nanoparticle surface acoustic wave UV sensor" // APPLIED PHYSICS LETTERS 96, 233512, 2010.

5. Wen-Che Tsai, Hui-ling Kao, Kun-Hsu Liao, Yu-Hao Liu, Tzu-Ping Lin, and Erik S. Jeng "Room temperature fabrication of ZnO/ST-cut quartz SAW UV photodetector with small temperature coefficient" // OPTICS EXPRESS, 9 Feb 2015 Vol. 23, No. 3, 2187.

6. Sanjeev Kumar, Gil-Ho Kim, K. Sreenivas, R.P. "Tand on ZnO based surface acoustic wave ultraviolet photo sensor" // J Electroceram (2009) 22, p. 198-202.

7. Wang Wen-Bo, Gu Hang, He Xing-Li, Xuan Wei-Peng, Chen Jin-Kai, Wang Xiao-Zhi, and Luo Ji-Kui "Transparent ZnO/glass surface acoustic wave based high performance ultraviolet light sensors" // Chin. Phys. В Vol. 24, No. 5 (2015) 057701.

8. US patent 7989851, МПК-2006.01 H01L 29/82, от 02.08.2011.

9. US patent 6914279, МПК-2006.01 H01L 29/82, от 07.05.2005.

10. US patent 621192, МПК⁷ H01L 41/08, от 16.09.2003.

11. Патент РФ №2195069 С1, 7МПК Н03Н 9/145 дата опубл. 2002.12.20.

12. Морган Д. «Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах»: Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1990. - 416 с: ил.

13. Викторов И.А. «Звуковые поверхностные волны в твердых телах». М.: Наука, 1981.