Газовый анализатор

 

Использование: для анализа различных газов. Сущность изобретения: газовый анализатор содержит кремниевую пластину, на которой последовательно сформированы слои оксида и нитрида кремния, слой нагревателя, слой диэлектрика и газочувствительный слой. Нагреватель выполнен в виде решетки с линейными размерами элементов, равными длине волны ИК-излучения, соответствующей максимуму поглощения молекул анализируемого газа. 1 ил., 2 табл.

Изобретение относится к устройствам для газового анализа и может быть использовано для определения газовой компоненты в самых различных областях народного хозяйства, таких как нефте- и газодобывающая промышленность, сельское хозяйство, медицина, в быту и т.д.

Известно устройство для селективного определения составляющих газовой смеси (1), содержащее несколько чувствительных элементов, изменяющих электропроводность при воздействии на них газов. Датчик может быть использован для селективного определения составляющих газовых смесей, если отдельные чувствительные элементы установлены на теплоизоляционной подложке и за счет выбора различных материалов и/или рабочих температур ориентированы на одну из составляющих газовой смеси. В соответствии с предпочтительным вариантом исполнения компоненты чувствительных элементов расположены таким образом, что исследуемая газовая смесь направляется мимо чувствительных элементов в виде направленного потока. В результате ступенчатого распределения температуры чувствительных элементов в направлении газового потока обеспечивается дальнейшее повышение селективности газового датчика. Это происходит за счет того, что селективность газового анализатора сильно зависит от температуры, которая для каждого анализируемого газа должна быть определена индивидуально. Этим датчиком хорошо различаются газы, молекулы которых сильно отличаются по составу входящих в них химических элементов, как, например, окислы, и горючие газы. В случае же газов, состоящих из одинаковых химических элементов, например, Н₂, СН₄, С₂Н₆ и т.д. этот датчик обладает очень низкой разрешающей способностью. Кроме того, реализация этого датчика достаточно сложна, так как требуется не просто градиент температур, определяемый условиями нагрева и охлаждения теплоизолирующей подложки, а определение и поддержание температуры каждого чувствительного элемента на заданном уровне.

Известен датчик (2) с одним чувствительным элементом и индивидуальным нагревателем, который селективно реагирует на один газ в смеси (например, взрывоопасный газ водород или метан в воздухе). Чувствительный слой данного датчика выполнен из SnO₂, а нагреватель расположен на обратной стороне пластины. Датчик имеет максимальную чувствительность по водороду при температуре 140^оС и совершенно не реагирует на метан при одинаковой с водородом концентрации. Недостатком датчика является ухудшение селективности при повышении температуры. Так в случае обнаружения метана (оптимальная температура 450^оС) датчик также будет реагировать на водород и другие горючие газы. Кроме того, расположение нагревателя с другой стороны пластины требует более высокого потребления энергии и не обеспечивает необходимой точности поддержания температуры.

Наиболее близким к заявляемому является датчик (3), который изготовлен на кремниевой пластине и включает в себя последовательно сформированные на ней слои с окислом и нитридом кремния, слои нагревателя, диэлектрика и газочувствительного слоя. Одновременно с нагревателем в виде меандра внутри него сформировано термосопротивление. Такая конструкция датчика позволяет более точно поддерживать температуру на необходимом уровне и значительно уменьшить тепловые потери. Недостатком такого датчика является ухудшение селективности при повышении температуры. Так в случае обнаружения метана (оптимальная температура 450^оС) датчик также будет реагировать на водород и другие горючие газы.

Цель повышение избирательности газочувствительного слоя к компонентам газовой среды.

Цель достигается тем, что в газовом анализаторе, содержащем кремниевую пластину, на которой последовательно сформированы слои оксида и нитрида кремния, слой нагревателя, слой диэлектрика и газочувствительный слой, нагреватель выполнен в виде решетки с линейными размерами элементов, равными длине волны ИК-излучения, соответствующей максимуму поглощения молекул анализируемого газа.

Предлагаемый газоанализатор, в котором нагреватель выполнен в виде двумерной решетки с линейными размерами элементов, равными длине волны ИК-излучения, поглощаемого молекулами данного газа, позволяет выделить необходимую длину волны излучения за счет торможения фононов на границах элементов.

При воздействии на газовую атмосферу ИК-излучения с длиной волны, соответствующей максимуму поглощения молекул анализируемого газа, происходит возбуждение колебательных и вращательных уровней молекул, ее диссоциация, ионизация и образование радикалов. Появляется большое число частиц, активно взаимодействующих с поверхностью полупроводника и резко меняющих его электропроводность. Другие газы при этом либо не возбуждаются, или возбуждаются в значительно меньшей степени, так как длина волны излучения, поглощаемая данным газом, определяется его химической природой.

На чертеже изображен газовый анализатор, где цифрами обозначено: 1 контактные площадки; 2 рельеф на окисле; 3 резистивный слой; 4 нитрид кремния; 5 межслойная изоляция (окисел кремния); 8 чувствительный слой (оксид олова); 7 окисел кремния; 8 пластина кремния.

Устройство имеет размеры в плане 2,7х2,7 мм и состоит из пластины 8 кремния, на которой последовательно сформированы изоляционные слои из окисла и нитрида кремния 7, рельеф 2 из окисла кремния, резистивный слой 3 из пермалоя, межслойная изоляция 5 из окисла кремния, чувствительный слой 6 из оксида олова и контактные площадки 1 из золота.

П р и м е р 1. Газоанализатор на метан содержит пластину кремния, на которой сформирована мембрана, состоящая из двукратно чередующихся слоев SiO₂ толщиной 2,5 мкм, слоя S₃N₄ толщиной 0,5 мкм, нагревателя из пермалоя, межслойной изоляции из слоя SiO₂ толщиной 2,5 мкм и слоя Si₃N₄ толщиной 0,5 мкм и чувствительного слоя SnO₂ толщиной 0,1-0,2 мкм и золотых контактов к нагревателю и чувствительному слою. На той же мембране был сформирован и термодатчик (термосопротивление), позволяющий контролировать температуру газоанализатора. В прототипе нагреватель был сформирован в виде короткого меандра (буква П), его размеры определялись площадью, которую необходимо было нагреть, и необходимостью получения определенного электросопротивления.

Результаты определения избирательности датчика на метан Т 450^оС представлены в табл.1.

Как видно из таблицы, избирательность составляет величину более 100, в то время как у датчика, изготовленного по прототипу, оно составляет примерно 20.

П р и м е р 2. Датчик на сероводород Н₂S имел конструкцию описанного выше датчика на метан и был изготовлен таким же способом, что и датчик на метан. Длина волны излучения, максимально поглощаемая Н₂S, составляет 6,7 мкм, поэтому нагреватель был выполнен в виде квадратов с длиной стороны, равной 6,7 мкм.

Максимальный отклик датчик на сероводород имеет при температуре 160^оС. Результаты исследований представлены в табл.2.

Результаты определения избирательности датчика на сероводород при Т 160^оС представлены в табл.2.

Как видно из табл.2, избирательность датчика на сероводород по отношению к метану составляет величину более 130. У датчика, изготовленного по прототипу, не более 30.

Формула изобретения

ГАЗОВЫЙ АНАЛИЗАТОР, содержащий кремниевую пластину, на которой последовательно сформированы слои оксида и нитрида кремния, слой нагревателя, слой диэлектрика и газочувствительный слой, отличающийся тем, что нагреватель выполнен в виде решетки с линейными размерами элементов, равными длине волны ИК-излучения, соответствующей максимуму поглощения молекул анализируемого газа.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3