Датчик определения концентрации газов
Владельцы патента RU 2291416:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский энергетический институт (технический университет)" (ГОУВПО "МЭИ (ТУ)") (RU)
Изобретение относится к области измерений. Технический результат изобретения: повышение чувствительности при обнаружении реагентов в воздушных средах в широкой области концентраций, снижение потребляемой мощности за счет снижения рабочей температуры, при которой производится определение содержания газа. Сущность: датчик определения концентрации газов содержит диэлектрическую подложку, обе поверхности которой выполнены шероховатыми, на одной из сторон подложки последовательно расположены платиновые встречно-штырьевые контакты и газочувствительный элемент в виде пленки на основе диоксида олова, легированной индием и сурьмой в равных долях, а на противоположной стороне подложки расположен платиновый нагреватель. Стороны диэлектрической подложки выполнены шероховатыми. 1 з.п. ф-лы, 2 табл., 3 ил.
Изобретение относится к области измерений, в частности газовому анализу, и может быть использовано для создания пороговых полупроводниковых датчиков, реагирующих на превышение допустимого содержания взрывоопасных и вредных для здоровья веществ, и устройств, предназначенных для анализа состава атмосферы или газовых смесей.
Известен датчик определения концентрации газов [см. патент РФ №2096774, МПК7 G 01 N 27/12, опубл. 1998], содержащий подложку, пленочные нагреватели, диэлектрический слой, газочувствительный элемент и электроды для подключения к источнику напряжения, причем газочувствительный элемент и нагреватель выполнены из одного и того же материала - SnO2 с легирующими добавками, при этом вся поверхность газочувствительного элемента представляет собой слой чередующихся микронеровностей.
Однако в данном газовом датчике в качестве нагревательного элемента используется пленка диоксида олова, у которой при высоких температурах может происходить деградация параметров, а также способ нанесения газочувствительной пленки, заключающийся сначала в осаждении толстой пленки, а затем ее ионном или плазмохимическом травлении до требуемых толщин, что сильно усложняет технологический процесс и негативно сказывается на газочувствительных свойствах пленок.
Известен датчик определения концентрации газов [см. патент РФ №2114422, кл. G 01 N 27/12, 1998], содержащий резистивный нагревательный элемент и термодатчик из платины и титана одинаковой конфигурации, размещенных по краям кристалла датчика. В центре кристалла находится контактная система из того же материала для газочувствительного слоя. Газочувствительный элемент представляет собой полупроводник из оксида металла.
Однако такой датчик имеет неравномерное расположение нагревателя на одном краю кристалла датчика, что приводит к градиенту температуры вдоль кристалла большой рассеиваемой мощности и тому, что функцию нагревателя и термодатчика выполняют два разных резистивных элемента.
Наиболее близким по технической сущности является датчик определения концентрации газов на основе тонкой полупроводниковой пленки с добавками Ni, In, Sb и каталитическими добавками - Pt и V [см. Ni, In and Sb implanted Pt and V catalysed thin film SnO2 gas sensors, Gerd Suiz, Gerd Kuhner, Helmut Reiter, Gabi Uptmoor, Werner Schweizer, Helda Low, Manfred Lacher, Klaus Steiner, Sensors and Actuators B, 15-16 (1993) 390-395], содержащий диэлектрическую подложку, на одной из сторон которой последовательно расположены Pt/Ti контакты и газочувствительный слой в виде поликристаллической пленки двуокиси олова с легирующими добавками, введенными в процессе напыления газочувствительной пленки, и каталитическими добавками, нанесенными на поверхность, а на противоположной стороне - пленочный Pt/Ti нагреватель.
Однако у такого датчика относительно высокая рабочая температура (около 350°С), при которой проводится измерение содержания реагентов в газообразной среде, что сильно повышает потребляемую мощность. Также к недостаткам следует отнести и использование титана в качестве адгезионного слоя. Такой датчик не позволяет достигнуть высокой чувствительности.
Технической задачей изобретения является повышение чувствительности при обнаружении реагентов в воздушных средах в широкой области концентраций, снижение потребляемой мощности за счет снижения рабочей температуры, при которой производится определение содержания газа.
Эта техническая задача достигается тем, что в известном датчике определения концентрации газов, содержащем диэлектрическую подложку, на одной из сторон которой последовательно расположены металлические контакты и газочувствительный слой в виде поликристаллической пленки двуокиси олова, легированный добавками, а на противоположной стороне - пленочный металлический нагреватель, в качестве легирующих добавок поликристаллической пленки двуокиси олова одновременно введены индий и сурьма в равных долях с общей концентрацией 0,8-1,2% ат.в., а металлические контакты и нагреватель выполнены из платины.
Дополнительно обе стороны поверхности диэлектрической подложки могут быть выполнены шероховатыми.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен датчик определения концентрации газов, на фиг.2 показан вид одной из сторон датчика определения концентрации газов, на фиг.3 приведен вид обратной стороны датчика определения концентрации газов.
Датчик определения концентрации газов содержит диэлектрическую подложку 1, обе поверхности которой выполнены шероховатыми, на одной из сторон 2 поверхности 1 последовательно расположены платиновые встречно-штырьевые контакты 3 и газочувствительный элемент 4 в виде пленки на основе диоксида олова, легированной добавками, а на противоположной стороне 5 диэлектрической подложки 1 расположен платиновый нагреватель 6. Стороны 2 и 5 диэлектрической подложки 1 выполнены шероховатыми.
Датчик определения концентрации газа работает следующим образом.
Перед началом его работы на нагреватель 6 подается напряжение питания, вследствие чего происходит разогрев газочувствительного элемента 4 до рабочих температур 200-230°С, в результате чего затрачивается мощность 0,3-0,4 Вт. Датчик помещается в исследуемую газообразную среду. Гетерогенные реакции, лежащие в основе механизма детектирования газов, являются сложным процессом, который можно условно разбить на ряд относительно простых этапов. Это адсорбция кислорода на поверхность пленки, нагретой до рабочей температуры, с образованием ионов O2 -, О-. В результате заряжения поверхности при переносе электрона из зоны проводимости на поверхностный центр кислорода возникает эффект поля, что приводит к росту электрического сопротивления датчика. При появлении в атмосфере восстанавливающих реагентов ионы кислорода на поверхности датчика вступают с ними в реакцию, идет гетерогенная реакция ионов кислорода с адсорбированными молекулами газа-восстановителя, в результате которой происходит обратный перенос электрона в зону проводимости и испарение продукта реакции с поверхности. Сопротивление датчика уменьшается. При помощи контактов 3 происходит регистрация изменения сопротивления газочувствительного элемента.
В процессе эксперимента датчики помещались в атмосферу, содержащую пары этилового спирта. Оптимальная рабочая температура, соответствующая максимальной чувствительности, 200-230°С. При данной температуре максимальное изменение сопротивления в атмосфере паров этилового спирта (250 ppm) у датчиков с сопротивлением порядка 108 Ом составило два порядка, а у прототипа изменение сопротивления происходило на порядок. Зависимость чувствительности датчика от рабочей температуры приведена в табл.1. Кривая зависимости чувствительности от вводимой дозы реагента носит нелинейный характер, что свидетельствует о насыщении, однако оно происходит медленнее, чем в датчике-прототипе, где отклики датчика к 3 ppm, 9000 ppm и 14000 ppm спирта практически идентичны. Одновременная добавка индия и сурьмы в концентрациях 0,8-1,2% ат.в. позволяет также получить максимальные значения чувствительности для данных пленок (табл.2). Использование меньших концентраций легирующего вещества не влияет на значение чувствительности, при больших концентрациях происходит образование нового вещества.
Изготовление датчиков определения концентрации газов может быть осуществлено следующим образом.
В качестве диэлектрической подложки 1 используется кварц. Подложка подвергается предварительному матированию для создания шероховатой поверхности. На одну из сторон подложки 2 магнетронным напылением через маску наносятся встречно-штырьевые платиновые контакты 3, на них реактивным магнетронным напылением через маску наносится пленка SnO2 газочувствительного элемента 4. Толщина пленки порядка 100 нм.
В пленку, в процессе напыления, методом составной мишени вводятся одновременно легирующие добавки индия и сурьмы в равных долях с концентрацией 0,8-1,2% ат.в.
На обратной стороне 5 диэлектрической подложки 1 также магнетронным напылением через маску формируется пленочный платиновый нагреватель 6 в виде змейки, который дополнительно выполняет функцию терморезистора.
После корректирующего отжига на воздухе при температуре 350°С в течение 1,5 часов пленки имеют сопротивление при рабочей температуре 200-230°С в пределах 103-108 Ом.
Одновременное добавление в пленку индия и сурьмы в равных долях с общей концентрацией легирования 0,8-1,2% ат.в. позволяет обеспечить высокую чувствительность датчика. Кроме того, изобретение позволяет создать матричное устройство для концентрационного анализа исследуемых реагентов на базе полученных датчиков, отвечающих современным и перспективным требованиям по массогабаритным показателям, энергетическим параметрам, надежности, стабильности, сроку.
Использование диэлектрической подложки с шероховатой поверхностью позволяет добиться удовлетворительной адгезии, также увеличивается чувствительность за счет более развитой поверхности. Происходит снижение рабочей температуры до 200-230°С, результатом чего является уменьшение потребляемой мощности, затрачиваемой для нагрева активной области датчика.
| Таблица 1 | ||
| № п/п | Рабочая температура датчика, °С | Чувствительность датчика к этиловому спирту на 100 ppm, % |
| 1 | 180 | 36 |
| 2 | 200 | 44 |
| 3 | 210 | 46 |
| 4 | 230 | 46 |
| 5 | 250 | 40 |
| 6 | 270 | 38,5 |
| Таблица 2 | ||
| № п/п | Общая концентрация In и Sb, % ат.в. | Чувствительность датчика к этиловому спирту на 100 ppm, % |
| 1 | 0,5 | 30 |
| 2 | 0,8 | 42 |
| 3 | 1 | 45 |
| 4 | 1,2 | 44 |
| 5 | 1,7 | 38 |
1. Датчик определения концентрации газов, содержащий диэлектрическую подложку, на одной из сторон которой последовательно расположены металлические контакты и газочувствительный слой в виде поликристаллической пленки двуокиси олова, легированный добавками, а на противоположной стороне пленочный металлический нагреватель, отличающийся тем, что в качестве легирующих добавок поликристаллической пленки двуокиси олова одновременно введены индий и сурьма в равных долях с общей концентрацией 0,8-1,2% ат.в., а металлические контакты и нагреватель выполнены из платины.
2. Датчик определения концентрации газов по п.1, отличающийся тем, что обе стороны поверхности диэлектрической подложки выполнены шероховатыми.
