Датчик для совместного определения паров воды и сероводорода и способ его изготовления

Изобретение относится к газовому анализу. Датчик для совместного определения содержания паров воды и сероводорода в воздухе согласно изобретению содержит диэлектрическую подложку из висмутсодержащего стекла, газочувствительный слой, электрические контакты, расположенные в углублении на поверхности подложки, отличающийся тем, что подложка изготавливается из висмутсодержащего стекла состава: оксид висмута(III) - 70%, оксид молибдена(VI) - 3-7%, оксид германия(IV) - 4-17%, оксид бора(III) - 6-21%, а газочувствительный слой состоит из двух зон: зоны чувствительной к парам воды и зоны чувствительной к сероводороду. Также предложен способ изготовления этого датчика. Изобретение обеспечивает увеличение стабильности результатов измерения. 2 н. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к газовому анализу, в частности к датчикам контроля содержания водяных паров и сероводорода в воздухе. Датчик может быть использован для контроля влажности и содержания сероводорода в технологических газовых средах, в воздухе помещений различного назначения (производственных, жилых, административных и общественных зданий, складов сырья и готовой продукции и т.д.). Также для автоматического мониторинга атмосферы, индивидуального портативного (карманного) средства измерения влажности воздуха, а также измерения содержания сероводорода в воздухе.

Известен датчик газообразного сероводорода и способ его изготовления (РФ Патент №2184957 от 2001.05.25, бюл. №19 от 2002.07.10, G01N 27/12). Этот датчик используется для определения сероводорода в воздушной среде, который состоит из диэлектрической подложки, газочувствительного слоя и электродов, нанесенных поверх газочувствительного слоя. В качестве диэлектрической подложки используется боратно-висмутатное стекло состава: оксид висмута(III) - 70%, оксид бора(III) - 30%.

Недостатками этого датчика является то, что применение двухстадийной модификации делает способ изготовления датчика длительным по времени и трудоемким. Нанесение контактов поверх чувствительного слоя приводит к разрушению его структуры, что в свою очередь приводит к нарушению точностных характеристик датчика.

Наиболее близким техническим решением является датчик для контроля влажности воздуха (РФ Патент №2365908 от 2008.02.28, бюл. №24, 2009.08.27 G01N 27/12).

Этот датчик содержит диэлектрическую подложку из висмутатно-боратного стекла, газочувствительного слоя и электрических контактов, нанесенных поверх газочувствительного слоя.

Датчик влажности изготовлен путем формирования на диэлектрической подложке из боратно-висмутатного стекла газочувствительного слоя, последовательным травлением боратно-висмутатного стекла в ортофосфорной кислоте с получением осадка и его модификации с последующей сушкой. На подложку наносят контакты, в качестве подложки используют стекло состава:

оксид висмута(III) - 70%,

оксид молибдена(VI) - Х%,

оксид бора(III) - (30-Х)%, где Х=0,5-7,

модификацию осадка проводят с помощью раствора парамолибдата аммония и перекиси водорода. Полученную структуру сушат при 120-140°С в течение 2 ч.

Недостатками этого датчика являются модификация пероксидным комплексом, а также малая стабильность датчика.

Техническим результатом изобретения является разработка датчика на одновременное определение содержания сероводорода и паров воды в воздушной среде, а также увеличение стабильности результатов измерения.

Технический результат достигается тем, что датчик содержит диэлектрическую подложку из висмутсодержащего, с добавлением оксида германия, газочувствительный слой, чувствительный как к парам воды, так и к содержанию сероводорода в воздушной среде, электрические контакты. Подложка изготавливается из висмутсодержащего стекла состава:

оксид висмута(III) - 70%,

оксид молибдена(VI) - 3-7%,

оксид германия(IV) - 4-17%,

оксид бора(III) - 6-21%.

Датчик изготовлен путем формирования на диэлектрической подложке из висмутсодержащего стекла газочувствительного слоя, последовательного травления висмутсодержащего стекла в ортофосфорной кислоте с получением осадка и его модификации с последующей сушкой. На подложку наносят контакты.

Модификацию осадка проводят с помощью раствора гептамолибдата аммония методом аэрозольного распыления. На диэлектрической подложке последовательно формируются две зоны. С целью получения области чувствительной к сероводороду полученную структуру сушат при 100-120°С в течение 2 ч, а затем отжигают при 400-500°С в течение 1 ч. С целью получения области чувствительной к парам воды полученную структуру сушат при температуре при 120-140°С в течение 2 ч.

Пример 1

Датчик содержит диэлектрическую подложку из висмутсодержащего стекла состава:

оксид висмута(III) - 70%,

оксид молибдена(VI) - 3%,

оксид германия(IV) - 4%,

оксид бора(III) - 23%.

С закрепленными на подложке электрическими контактами, между которыми сформирован газочувствительный слой.

Слой газочувствительного вещества представляет собой гетероструктуру, полученную путем травления висмутсодержащего стекла в ортофосфорной кислоте при t=100°C в течение 15 мин с получением осадка и последующей его одностадийной обработкой с помощью раствора гептамолибдата аммония. Обработка осадка, полученного в результате модифицирования гептамолибдатом аммония, проводится последовательно при двух режимах. Для получения области чувствительной к парам воды сушка проводится при температуре 120-140°С в течение 2 ч, для получения области чувствительной к сероводороду сушка проводится при 100-120°С в течение 2 ч, а затем отжиг при 400-500°С в течение 1 ч.

Измерение характеристик датчика проводили на переменном токе частотой 1 кГц с помощью иммитансометра Е7-8. Аналитическим сигналом служит изменение электрической проводимости (Δσ) газочувствительного слоя под действием различного содержания паров воды (от 3,37 до 22,51 г/м³) в газовой фазе. При этом Δσ изменялась от 1,50 до 34,00 мкСм. А также изменение электрической проводимости под действием различного содержания паров сероводорода (от 6,11 до 61,1 мг/м³) в газовой фазе. При этом Δσ изменялась от 0,072 до 0,19 мкСм.

Пример 2

Датчик содержит диэлектрическую подложку из висмутсодержащего стекла состава:

оксид висмута(III) - 70%,

оксид молибдена(VI) - 3%,

оксид германия(IV) - 7%,

оксид бора(III) - 20%.

С закрепленными на подложке электрическими контактами, на которой сформирован газочувствительный слой.

Значение Δσ под действием различного содержания паров воды (от 3,37 до 22,51 г/м³) в газовой фазе изменялось от 1,50 до 37,00 мкСм. Δσ под действием различного содержания паров сероводорода (от 6,11 до 61,1 мг/м³) в газовой фазе изменялась от 5,10 до 15,00 мкСм.

Пример 3

Датчик содержит диэлектрическую подложку из висмутсодержащего стекла состава:

оксид висмута(III) - 70%,

оксид молибдена(VI) - 3%,

оксид германия(IV) - 17%,

оксид бора(III) - 10%.

С закрепленными на подложке электрическими контактами, на которой сформирован газочувствительный слой.

Значение Δσ под действием различного содержания паров воды (от 3,37 до 22,51 г/м³) в газовой фазе изменялось от 1,40 до 30,00 мкСм. Δσ под действием различного содержания паров сероводорода (от 6,11 до 61,1 мг/м³) в газовой фазе изменялась от 53,00 до 152 мкСм.

Пример 4

Датчик содержит диэлектрическую подложку из висмутсодержащего стекла состава:

оксид висмута(III) - 70%,

оксид молибдена(VI) - 7%,

оксид германия(IV) - 4%,

оксид бора(III) - 19%.

С закрепленными на подложке электрическими контактами, на которой сформирован газочувствительный слой.

Значение Δσ под действием различного содержания паров воды (от 3,37 до 22,51 г/м³) в газовой фазе изменялась от 6,10 до 136. Δσ под действием различного содержания паров сероводорода (от 6,11 до 61,1 мг/м³) в газовой фазе изменялась от 0,3 до 0,8 мкСм.

Пример 5

Датчик содержит диэлектрическую подложку из висмутсодержащего стекла состава:

оксид висмута(III) - 70%,

оксид молибдена(VI) - 7%,

оксид германия(IV) - 7%,

оксид бора(III) - 16%.

С закрепленными на подложке электрическими контактами, на которой сформирован газочувствительный слой.

Значение Δσ под действием различного содержания паров воды (от 3,37 до 22,51 г/м³) в газовой фазе изменялось от 6,00 до 146,00 мкСм. До под действием различного содержания паров сероводорода (от 6,11 до 61,1 мг/м³) в газовой фазе изменялась от 20,00 до 59,00 мкСм.

Пример 6

Датчик содержит диэлектрическую подложку из висмутсодержащего стекла состава:

оксид висмута(III) - 70%,

оксид молибдена(VI) - 7%,

оксид германия(IV) - 17%,

оксид бора(III) - 6%.

С закрепленными на подложке электрическими контактами, на которой сформирован газочувствительный слой.

Значение Δσ под действием различного содержания паров воды (от 3,37 до 22,51 г/м³) в газовой фазе изменялось от 6,00 до 130,00 мкСм. Δσ под действием различного содержания паров сероводорода (от 6,11 до 61,1 мг/м³) в газовой фазе изменялась от 53,00 до 300 мкСм.

Использование подложки, содержащей в своем составе менее 3% оксида молибдена, нецелесообразно ввиду уменьшения чувствительности датчика.

Использование подложки, содержащей в своем составе более 7% оксида молибдена, осложнено механической непрочностью подложки и высокой вероятности ее разрушения при изготовлении сенсора.

При использовании подложки, содержащей в своем составе менее 4% оксида германия, его влияние незначительно на характеристики датчика.

Использование подложки, содержащей в своем составе более 17% оксида германия, осложнено процессом стеклования, что приводит к образованию неоднородного стекла.

Таким образом, предлагаемый датчик позволяет проводить измерения на определение содержания как паров воды, так и сероводорода одновременно.

Заявляемый способ изготовления датчика позволил увеличить стабильность результатов измерения (таблица 1).

Таблица 1. Зависимость стабильности результатов измерения от состава подложки.
Состав подложки	Стабильность	Состав подложки	Стабильность
оксид висмута(III) - 70%,		оксид висмута(III) - 70%,
оксид молибдена(VI) - 3%,	7 мес.	оксид молибдена(VI) - 7%,	7 мес.
оксид германия(IV) - 4% оксид бора(III) - 23%		оксид германия(IV) - 4%
оксид бора(III) - 19%
оксид висмута(III) - 70%,		оксид висмута(III) - 70%,
оксид молибдена(VI) - 3%,	8 мес.	оксид молибдена(VI) - 7%,	8 мес.
оксид германия(IV) - 7%		оксид германия(IV) - 7%
оксид бора(III) - 20%	оксид бора(III) - 16%
оксид висмута(III) - 70%,		оксид висмута(III) - 70%,
оксид молибдена(VI) - 3%,	9 мес.	оксид молибдена(VI) - 7%,	9 мес.
оксид германия(IV) - 17%		оксид германия(IV) - 17%
оксид бора(III) - 10%	оксид бора(III) - 6%

Обработка слоя нерастворимого фосфата висмута с помощью гептамолибдата аммония позволила исключить фазу, образуемую при модификации раствором парамолибдата аммония и перекиси водорода, которая разрушается вследствие необратимой абсорбции.

1. Датчик для совместного определения содержания паров воды и сероводорода в воздухе содержит диэлектрическую подложку из висмутсодержащего стекла, газочувствительный слой, электрические контакты, расположенные в углублении на поверхности подложки, отличающийся тем, что подложка изготавливается из висмутсодержащего стекла состава, %:

оксид висмута(III)	70
оксид молибдена(VI)	3-7
оксид германия(IV)	4-17
оксид бора(III)	6-21,

а газочувствительный слой состоит из двух зон: зоны, чувствительной к парам воды, и зоны, чувствительной к сероводороду.

2. Способ изготовления датчика для совместного определения содержания паров воды и сероводорода в воздухе, включающий формирование на диэлектрической подложке из висмутсодержащего стекла газочувствительного слоя, отличающийся тем, что газочувствительный слой формируют из двух зон: зоны, чувствительной к парам воды, и зоны, чувствительной к сероводороду, путем травления висмутсодержащего стекла в ортофосфорной кислоте с получением осадка и модифицирования осадка в обеих зонах с последующей сушкой, при этом используют висмутсодержащее стекло состава, %:

оксид висмута(III)	70
оксид молибдена(VI)	3-7
оксид германия(IV)	4-17
оксид бора(III)	6-21,

а в качестве модификатора осадка используется раствор гептамолибдата аммония.