Электронный газовый сепаратор

 

Использование: в аналитической химии при экспресс-анализе опасных ингредиентов газовой среды, при оперативном контроле аварийных выбросов или безопасности воздуха рабочих зон. Сущность изобретения: чувствительный элемент сепаратора на базе оксидной полупроводниковой пленки с одной стороны диэлектрической подложки и резистивного подогревного слоя на другой ее стороне выполнен в виде набора единичных детекторов из номенклатуры сепарируемых газов. Операционный усилитель с дифференциальной мостовой схемой в его входной цепи в смежных плечах моста содержит эталонный и измерительный элементы. Измерительный тракт сепаратора содержит ряд последовательных идентичных усилительных каскадов, ступенчато переключаемых на каждый тип газа. Изобретение позволят повысить избирательность путем синтеза узкой полосы пропускания и расширить функциональные возможности устройства. 3 ил.

Изобретение относятся к аналитической химии, в частности к экспресс-анализу опасных ингредиентов газовой среды, и может быть применено при оперативном контроле аварийных выбросов или безопасности воздуха рабочих зон.

Известен газоанализатор для измерения микроконцентраций газов, основанный на поглощении из анализируемой пробы газового компонента твердым сорбентом и последующей его десорбции (см., например. Авторское свидетельство СССР N 735981, кл. G 01 N 27/16, 1980 г. - аналог). Десорбция газа в известном газоанализаторе осуществляется путем нагрева сорбента, поэтому метод инерционен. Высоким быстродействием обладают датчики, и которых в качестве чувствительного элемента, реагирующего на присутствие газов и паров изменением электропроводности, являются оксидные полупроводниковые пленки с примесями других металлов (см. заявку ФРГ N 2651160, кл. G 01 N 27/12, 1978 г. - аналог).

Ближайшим по технической сущности аналогом с заявляемым техническим решением является "Чувствительный элемент газового датчика" (см. патент РФ N 2011985, кл. G 01 N 27/12, 1994 г. - ближайший аналог).

Устройство по ближайшему аналогу содержит на диэлектрической подложке оксидную полупроводниковую пленку с примесями металлов, расположенных только в поверхностном слое на глубине 5 - 35% ее толщины, с резистивным подогревным слоем на другой стороне подложки. При изменении рабочей температуры подогрева оксидная полупроводниковая пленка проявляет различную адсорбционную активность к детектируемым газам, что проявляется в изменении проводимости полупроводникового слоя.

Недостатками ближайшего аналога являются невысокая избирательность чувствительного элемента к детектируемому газу по отношению к смежным газам; функциональная ограниченность устройства.

Задача, решаемая данным изобретением, заключается в повышении избирательности путем синтеза узкой полосы пропускания и расширении функциональных возможностей устройства.

Поставленная задача решается тем, что в электронном газовом сепараторе, включающем чувствительной элемент на базе оксидной полупроводниковой пленки с одной стороны диэлектрической подложки и резистивный подогревной слой на другой стороне, усилитель и индикатор, чувствительный элемент выполнен в виде набора единичных газовых детекторов из номенклатуры сепарируемых газов, параллельно подключенных на вход измерительного тракта и состоящих из операционного усилителя с дифференциальной мостовой схемой в его входной цепи, с эталонным и реагирующим на газ элементами в ее смежных плечах, а измерительный тракт содержит N последовательных, идентичных усилительных каскадов по схеме операционного усилителя с магазином сопротивлении, ступенчато переключаемых на каждый тип газа и выполняющих функции сопротивления обратной связи и эталонного элемента в качестве регулируемого сопротивления входной цепи.

Вновь введенные элементы и связи позволяют реализовать такие новые свойства заявляемого технического речения, как высокую селективность за счет перемножения характеристик избирательности несколько каскадов; высокую крутизну и стабильность детекторной характеристики за счет применения эталонных фильтров.

Анализ известных технических решений в исследуемой и смежных областях позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, совпадающих с существенными признаками заявляемого технического решения и о соответствии последнего критерию изобретения "изобретательский уровень".

Техническая сущность изобретения заключается в следующем. Избирательная чувствительность газового сенсора зависит от многих факторов: материала и толщины основного полупроводникового слоя, толщины поликристаллического примесного слоя, температуры разогрева подложки, количества элементов примесного легирования, их валентности и т.д.

На фиг.1 приведено семейство селективных характеристик экспериментальных образцов газовых сенсоров для следующих типов детектируемых газов: CO, HF, NO, SO₂. Как следует из графиков фиг.1 характеристики избирательности сенсоров взаимно перекрываются, при этом диапазон перекрытия рабочих температур достаточно широк.

Известен метод повышения избирательности частотно-резонансных систем в радиоприемных устройствах путем использования последовательно включенных резонансных каскадов (см. , например, Справочник по радиоэлектронике, Т.2. Под редакцией А. А. Куликовского, -М., Энергия, 1968, с. 77, 121, таблица 13-4). Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) одиночного каскада с нагрузкой в виде резонансного контура задается выражением где обобщенная расстройка; Q - качество резонансной системы; Δf - полоса пропускания на уровне 0,7 от max; f₀ - собственная частота резонансного контура.

Для резонансной системы (см. там же) справедливо соотношение

т. е. отношение полосы пропускания к собственной частоте равно коэффициенту затухания контура.

При последовательном подключении N резонансных каскадов эквивалентное затухание

или

где Ψ(N) - функция, зависящая от количества каскадов и типа контуров.

Так, значения Ψ(N) для усилителей с одиночными, настроенными в резонанс контурами составляют (см. там же стр. 121, табл. 13.4):
Число каскадов (N): 1; 2; 3; 4; 5;
Ψ(N): 1; 2,5; 7,7; 30; 130 соответственно.

Таким образом, используя последовательное включение (N) резонансных каскадов, можно достигнуть дополнительной избирательности относительно смежных газов от 8 до 30 дб (N = 2 - 4). По аналогии с частотно-избирательной характеристикой резонансного контура, селективные свойства газового сенсора оценивают эквивалентными параметрами: резонансной температурой T₀ и шириной полосы ΔT. На фиг.2 воспроизведена селективная характеристика одиночного газового датчика а) и результирующая характеристика б) системы из 3-х последовательно включенных операционных усилителей о однотипными селективными элементами во входных цепях. Регулируемым параметром при настройке газового сепаратора является температура подложки T₀ --> V_ar. Функциональная схема устройства предназначена на фиг. 3. Электронный газовый сепаратор включает набор 1 из параллельно подсоединенных на вход измерительного тракта 2 единичных газовых детекторов 3, собранных на базе операционного усилителя 4 с дифференциальной мостовой схемой 5 в его входной цепи. В мерительные плечи мостовой схемы 5 включены эталонный 6 и реагирующий на газ элементы 7, а измерительный тракт 2 содержит N последовательных идентичных каскадов 8 по схеме операционного усилителя 9 со ступенчато переключаемым на каждый тип газа магазином сопротивлений 10 в составе сопротивления обратной связи 11 и эталонного элемента 12 в качестве сопротивления входной цепи. На выход измерительного канала 2 подсоединен индикатор 13. Питание элементов дифференциальной схемы и каскадов осуществляется от стабилизатора напряжения 14, а запитка резистивных слоев диэлектрических подложек эталонных 6, 12 и реагирующих на газ 7 элементов осуществляется от стабилизатора тока 15 с регулировкой 16 величины подогревного тока. Эталонный элемент 6, 12 выполнен в виде оксидной полупроводниковой пленки, легированной металлами валентной группы для заданного типа детектируемого газа, размещенной на диэлектрической подогревной подложке и помещенной в изолированный газовый объем, с постоянным процентом содержания детектируемого газа в нем. Для исключения влияния дрейфа характеристик чувствительного элемента и снижения коэффициента шума первого каскада 3 в его входной цепи используется включение чувствительных элементов 6, 7 по дифференциальной мостовой схеме 5.

Динамика взаимодействия элементов и процедура измерений осуществляется в следующей последовательности. Устройство включают при экспрессном анализе воздушной среды рабочей зоны: коллектор, забой, химический цех. В зависимости от предполагаемых опасных ингредиентов среды последовательно осуществляют коммутацию элементов на выбранный тип газа. Затем регулированием величины тока подогревных элементов, включенных в цепь последовательно, в составе эталонного 6, реагирующего 7 элементов мостовой схемы 5, а также эталонных элементов 12 усилительных каскадов 8 измерительного тракта 2 устанавливается резонансная температура T₀ данного типа газа. Настройка осуществляется по максимуму показаний индикатора 13 вблизи резонансной температуры, после чего производится отсчет результата измерений. Регулятор 16 величины подогревного тока имеет маркировку, соответствующую резонансной температуре детектируемого газа. После взятия отсчета осуществляют переключение на следующий (смежный) тип газа. При этом изменяется тип детектора 3 на входе тракта 2 и ступенчато изменяется пара сопротивлении 11, 12 усилительных каскадов 8. Коэффициент усиления операционного усилителя определяется отношением сопротивлений 11, 12
K_{o y} = - R₁₁/R₁₂;
При регулировании температуры подогрева подложки эталонных элементов R₁₂ изменяется сопротивление его оксидного полупроводникового слоя. Проводимость слоя увеличивается (сопротивление уменьшается), и, как следствие, по приведенному соотношению увеличивается K_oy. Таким образом реализуются селективные характеристики резонансных каскадов 8. Для обеспечения стабильности измерительного тракта 2 каждая пара сопротивлений 11, 12 из магазина сопротивлений 10 выбирается из соотношения:
(R₁₁/R₁₂ - минимум) --> const.

Все блоки сепаратора могут быть выполнены по типовым схемам, на серийной отечественной элементной, базе, за исключением чувствительных газовых сенсоров. Усилительные каскады выполнены по схеме операционных усилителей на микросхеме ОУ. 1404. Д6, постоянные сопротивления моста R₁, R₂ ≈ 5,1 ком. Сопротивления эталонных элементов порядка единицы ком.

Заявитель располагает научно-экспериментальной базой для изготовления газовых сенсоров. Технология их изготовления включает выращивание пленок магнетронным распылением исходных материалов в вакууме, в среде аргона в смеси с кислородом на установке УВН-075.

При выращивании пленок вакуумная камера откачивается криогенным насосом до остаточного давления 10^-6 - 10^-7 Па. Соотношение реактивного и инертного газов (O₂ и Ar) подбирается экспериментально. Полученная затем пленка доокисляется в потоке воздуха путем нагрева до температуры 300 - 350^oC. Подготовленная таким образом пленка нарезается на кристаллы на установке "Алмаз" и используется в качестве газочувствительных элементов. Ввиду разброса параметров, проводят предварительный отбор (отбраковку) по полученным характеристикам эталонных элементов для сепаратора.

Изобретение позволяет осуществлять оперативный экспресс-анализ состояния воздушной среды и может быть рекомендовано для использования в подвижных лабораториях экологического контроля.

Формула изобретения

Электронный газовый сепаратор, включающий чувствительный элемент на базе оксидной полупроводниковой пленки с одной стороны диэлектрической подложки и резистивный подогревной слой на другой ее стороне, усилитель и индикатор, отличающийся тем, что чувствительный элемент выполнен в виде набора единичных газовых детекторов из номенклатуры сепарируемых газов, параллельно подключенных на вход измерительного тракта и состоящих из операционного усилителя с дифференциальной мостовой схемой в его входной цепи, с эталонным и реагирующим на газ элементами в ее смежных плечах, а измерительный тракт содержит N последовательных, идентичных усилительных каскадов по схеме операционного усилителя с магазином сопротивлений, ступенчато переключаемых на каждый тип газа и выполняющих функции сопротивления обратной связи и эталонного элемента в качестве регулируемого сопротивления входной цепи.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3