Sensori resistivi

Le strutture tipiche proposte per questo tipo di sensori sono fonda- mentalmente due: a diodo Schottky ed a doppia giunzione (figura 3.16). I dispositivi del primo tipo sono prodotti con un processo molto simile a quello visto per i sensori di tipo capacitivo, sebbene differi- scano da questi nel funzionamento in quanto si misurano le variazioni della corrente causate dalle specie gassose adsorbite nei pori.

I sensori del secondo tipo, invece, sono fabbricati in accordo con il processo standard di produzione dei diodi a giunzione p-n ad eccezio- ne del passo di anodizzazione per formare lo strato poroso [197]. Do- po aver realizzato la giunzione p-n, il wafer viene anodizzato in ma- niera selettiva proteggendo le regioni di tipo n+ mediante un film di fotoresist. Per poter contattare il dispositivo superiormente, viene de- posto uno strato metallico, in genere alluminio, sull’impianto n+, men- tre il contatto inferiore è costituito dal film metallico deposto sul retro del substrato per l’anodizzazione.

Figura 3.16. strutture tipiche per sensori di gas resistivi in silicio poroso: a diodo Schottky (sinistra) ed a doppia giunzione (destra) I Al PS Gas Al I Gas p-Si p-Si n+_{-Si n}+_-Si

Si ottiene, in tal modo, una struttura costituita da due giunzioni p-n circondate da uno strato poroso (elemento “sensibile” del sensore) e dai contatti elettrici. Il maggior vantaggio di questa struttura è la mag- giore area sensibile disponibile, in quanto lo strato poroso non è più coperto parzialmente dal contatto ma risulta completamente scoperto trovandosi nella zona di silicio compresa fra i due contatti. L’area sen- sibile può essere ulteriormente incrementata realizzando i contatti con geometrie interdigitate.

Questo tipo di sensori ha manifestato, in genere, una maggiore sen- sibilità nei confronti dei sensori capacitivi, con variazioni apprezzabili della conducibilità per concentrazioni superiori alle centinaia di parti per milione nel caso di alcuni alcoli [198]. Sensibilità dell’ordine di qualche parte per milione sono state, invece, riportate nel caso di bios- sido di azoto e di monossido di carbonio [199, 200]. Comunque, è sta- to osservato, sia con sensori capacitivi sia con sensori resistivi, che il silicio poroso sembra “sentire” solo specie chimiche che presentino un certo momento di dipolo; prove effettuate con sostanze prive di mo- mento di dipolo come azoto, elio, metano ed acetilene non hanno evi- denziato variazioni apprezzabili delle proprietà elettriche del silicio poroso [201].

I sensori resistivi, infine, sono caratterizzati da tempi di risposta, in genere, dell’ordine dei minuti e, a differenza di quelli capacitivi, sem- bra non manifestino problemi di isteresi.

Diverse sono le ipotesi sviluppate nel tentativo di dare una spiega- zione alla variazione delle proprietà elettriche del silicio poroso in presenza di specie gassose. Una delle prime, in ordine di tempo, è quella proposta da Anderson [194], secondo cui tale fenomeno è da associarsi alla condensazione del gas nei pori per un effetto di capilla- rità. Una prima conseguenza di questa condensazione, secondo Ander- son, è la variazione della costante dielettrica del silicio poroso, giusti- ficando in tal modo la variazione della capacità osservata nei sensori capacitivi. Inoltre, la formazione di uno strato liquido sulla parete dei pori potrebbe indurre una conduzione di tipo ionico in parallelo a quella nello strato poroso, provocando un aumento della corrente tota- le del sensore resistivo. L’ipotesi di Anderson è stata poi confutata da Ben-Chorin, il quale ha osservato, nel caso del metanolo, variazioni della conducibilità per pressioni ben al di sotto delle condizioni di condensazione [193]. Sulla base di questi studi e tenendo conto che il

silicio poroso è costituito da strutture che possono avere dimensioni nanometriche, Ben-Chorin formula due possibili spiegazioni. Se si suppone che il trasporto di elettroni nel silicio poroso sia limitato dalla barriera di energia fra nanocristalli vicini, in analogia a quanto avviene per le polveri compresse, le specie adsorbite potrebbero avere l’effetto di variare questa barriera, determinando quindi una variazione della conducibilità. Un’altra possibilità è che le molecole adsorbite produ- cano una ridistribuzione di carica nei nanocristalli di silicio poroso, per effetto di una variazione della zona di svuotamento. Poiché il tra- sporto di carica avviene attraverso l’attivazione termica dei portatori di carica, piccole variazione nell’energia di attivazione si ripercuotono in grandi variazioni nella conducibilità. Questo modello è stato, in se- guito, ripreso ed ampliato da Stievenard e Deresmes prendendo in considerazione i legami pendenti presenti sulla superficie del silicio poroso. L’effetto del gas adsorbito sarebbe quello di passivare i lega- mi pendenti attivi, riducendo così la zona di svuotamento nei nanocri- stalli ed aumentando di conseguenza la conducibilità [201].

Sulla base del modello proposto da Stievenard e Deresmes, Fouca- ran [195] ha evidenziato due fenomeni che potrebbero influenzare la conducibilità del silicio poroso: (a) se si ipotizza l’assenza di reazioni chimiche fra stati superficiali e molecole di gas, l’incremento della conducibilità si spiega assumendo l’esistenza di un meccanismo di conduzione attraverso le molecole adsorbite che si aggiunge alla cor- rente che attraversa lo strato poroso; (b) se invece si ipotizza la pre- senza di reazioni chimiche fra i legami pendenti e le molecole adsorbi- te, la variazione della conducibilità si spiega con la passivazione su- perficiale dei nanocristalli mediante reazioni di ossidazione o riduzio- ne, in accordo con la specie gassosa adsorbita.

Come si può comprendere da quanto fin qui affermato, il quadro completo delle cause che provocano la variazione della conducibilità del silicio poroso in presenza di specie gassose è ancora poco chiaro, comunque i modelli sopra esposti probabilmente mettono in luce al- cuni aspetti che potrebbero contribuire al fenomeno citato.

4 Realizzazione e caratterizzazione di senso-