Способ получения наноструктурированного газового сенсора на озон

Изобретение относится к технологии получения высокочувствительного резистивного газового сенсора на озон на основе оксидных пленок в системе In2O3-SnO2. Способ получения наноструктурированного газового сенсора на озон включает совместную кристаллизацию растворов солей или их соосаждение, при этом в качестве исходных реагентов используют растворы солей-прекурсоров (SnSO4, In(NO3)3*xH2O), получают оксидные порошки методом золь-гель совместной кристаллизации и соосаждения, после чего полученные порошки прокаливают при 120-400°С и обжигают при 650°С до получения твердого раствора на основе In2O3 с размером ОКР ~ 27-29 нм, затем приготавливают пасту со связующим на основе этилцеллюлозы [С6Н7O2(ОН)3-x(ОС2Н5)x]n и скипидара, причем в первой серии к навеске порошка добавляют 10 мас.% этилцеллюлозы и 5 мл скипидара, а для второй серии порошок смешивают с 30 мас.% этилцеллюлозы и 8 мл скипидара, затем после интенсивного перемешивания полученную пасту наносят на корундовые подложки трафаретной печатью, после чего образцы обжигают при 700°С в течение 5 часов на первом этапе и затем при 1100°С в течение 3 часов. Технический результат – повышение чувствительности сенсора. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к технологии создания высокочувствительного резистивного газового сенсора на озон на основе оксидных пленок в системен In2O3-SnO2. Сенсор предназначен для регистрации содержания озона для контроля качества воздуха в зданиях, офисах, в медицинских процедурных кабинетах.

К технологиям создания резистивных пленочных газовых сенсоров в настоящее время обращено повышенное внимание исследователей-материаловедов и экологов. Резистивные газовые сенсоры на озон находят применение во многих областях техники, в качестве устройств контроля содержания озона в атмосфере в медицинских учреждениях, на производстве при проведении различных химических процессов с использованием химически активных и агрессивных реагентов. Поэтому необходимо создавать новые технологии создания резистивных газовых сенсоров, обладающих повышенной чувствительностью к озону. В настоящее время наиболее перспективным оксидным материалом для изготовления активных газочувствительные элементов газовых сенсоров является материалы в системе In2O3-SnO2.

Для оценки новизны заявленного решения рассмотрим ряд известных технических средств аналогичного назначения, характеризуемых совокупностью сходных с заявленным устройством признаков.

Известен электрохимический газовой сенсор по заявке на изобретение №94026947/25, в которой описан новый электрохимический датчик для измерения концентрации газов, содержащий измерительный электрод и противоэлектрод, содержащий углеродный материал и электрохимически активные поверхностные соединения, которые могут обратимо окисляться или восстанавливаться. Недостатком изобретения является работа устройства при комнатной температуре, что не позволяет обеспечить обратимость и высокий ресурс датчика.

Известен газочувствительный сенсорный элемент по заявке №2011139592/28, который состоит из металлооксидой газочувствительной пленки на основе SnO2, содержащей модификаторы на основе платины и палладия, подложки и нанесенного на обратную сторону подложки платинового нагревателя. Металлический пленочный нагреватель и контактные площадки изготовлены из платиновой пасты с добавлением стеклянного порошка. Недостатком данной полезной модели является использование дорогостоящих модификаторов.

Известен полупроводниковый газовый сенсор по заявке №2012146071/28, который содержит газочувствительный элемент, подвешенный по центру измерительной камеры на проволочных измерительных выводах и пружинном нагревательном элементе. Газочувствительный элемент выполнен из смеси оксида олова SnO2: 5-95 мас.% и оксида индия In2O3: 5-95 мас.%. Недостатком данного изобретения является использование дорогостоящей платиновой проволоки и сложность конструкции для крупносерийного производства.

Известно изобретение по патенту JP 2008064674 A «MANUFACTURING METHOD FOR SnO2 GAS SENSOR». В данном патенте достаточно подробно описаны способы получения сенсорных материалов на основе оксида олова. Метод состоит в осаждении гидроксида олова с помощью слабо щелочной среды. Недостатком данного изобретения является использование дорогостоящих компонентов, таких как палладий, а также в составе материала не используется оксид индия, который является эффективной добавкой для увеличения чувствительности.

В патенте CN 101824603 A «METHOD FOR MANUFACTURING COMPOSITE FILM GAS SENSOR» для создания чувствительной композитной пленки на основе оксидов олова и вольфрама предлагается использовать метод магнетронного распыления соответствующих мишеней, что представляет достаточную техническую сложность. В данном патенте также не используется оксид индия, который обеспечивает сенсорный эффект при определении озона.

Недостатками всех известных технологий получения газовых сенсоров являются необходимость использования дорогостоящего специального оборудования, а также сложности с получением высокопористых пленок.

Задача изобретения заключается в синтезировании пористых газочувствительных сенсорных пленок состава 95 мол.% In2O3 - 5 мол.% SnO2 и в разработке технологического процесса нанесения пленок на диэлектрические подложки.

Сущность заявленного технического решения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения указанного выше обеспечиваемого изобретением технического результата.

Согласно изобретению способ получения наноструктурированного газового сенсора на озон, включающий совместную кристаллизацию растворов солей или их соосаждение, характеризуется тем, что в качестве исходных реагентов используют растворы солей-прекурсоров (SnSO4, In(NO3)3*xH2O), получают оксидные порошки методом золь-гель совместной кристаллизации и соосаждения, после чего полученные порошки прокаливают при 120-400°С и обжигают при 650°С до получения твердого раствора на основе In2O3 с размером ОКР ~27-29 нм, затем приготавливают пасту со связующим на основе этилцеллюлозы [C6H7O2(ОН)3-х(ОС2Н5)x]n и скипидара, причем в первой серии к навеске порошка добавляют 10 мас.% этилцеллюлозы и 5 мл скипидара, а для второй серии порошок смешивают с 30 мас.% этилцеллюлозы и 8 мл скипидара, затем после интенсивного перемешивания полученную пасту наносят на корундовые подложки трафаретной печатью, после чего образцы обжигают при 700°С в течение 5 часов на первом этапе и затем при 1100°С в течение 3 часов.

Кроме того, заявленное техническое решение характеризуется наличием ряда дополнительных факультативных признаков, а именно:

- для формирования качественной газочувствительной сенсорной пленки соблюдают пропорцию оксидный порошок : связующее (этилцеллюлоза [C6H7O2(ОН)3-х(ОС2Н5)x]n): скипидар в виде 5-10 г порошка : 0,5-1 г этилцеллюлозы : 1-2 мл скипидара.

Заявленная совокупность существенных признаков обеспечивает достижение технического результата, который заключается в том, что температурная зависимость электросопротивления lgR пленки состава In0.95Sn0.05O1.5 на воздухе демонстрирует существенный сенсорный отклик на присутствие озона в атмосфере, в которой проводятся измерения: коэффициент чувствительности достигает 15-300, то есть сопротивление увеличивается в 300 раз.

Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена термограмма формирования кристаллической структуры твердого раствора (In2O3)0.95(SnO2)0.05 из синтезированного ксерогеля, на фиг. 2 - дифрактограмма твердого раствора (In2O3)0.95(SnO2)0.05, полученного после термообработки ксерогеля при 350°С, на фиг. 3 - кривые температурной зависимости удельной проводимости полученных пленок состава (In2O3)0.95(SnO2)0.05 в среде, содержащей озон, характеризующие сенсорные свойства синтезированных сенсорных пленок.

Заявленный способ реализуют следующим образом.

В качестве исходных реагентов использовали соответствующие растворы солей-прекурсоров (SnSO4, In(NO3)3*xH2O). Способ получения состоит в получении оксидных порошков методом золь-гель совместной кристаллизации и соосаждения. Полученные порошки прокаливают при 120-400°С и обжигают при 650°С. Получается твердый раствор на основе In2O3 с размером ОКР ~27-29 нм. Затем происходит приготовление пасты со связующим на основе этилцеллюлозы и скипидара, нанесение полученной пасты на подложку (Al2O3, корунд) в виде пленки.

Нанесение на подложки: порошки состава 95 мол.% In2O3 - 5 мол.% SnO2, полученные методом совместной кристаллизации смешивали с этилцеллюлозой [C6H7O2(ОН)3-х(ОС2Н5)x]n и скипидаром. В первом случае к навеске порошка добавляли 10 мас.% этилцеллюлозы и 5 мл скипидара. Для второй серии порошок смешивали с 30 мас.% этилцеллюлозы и 8 мл скипидара. После интенсивного перемешивания полученную пасту наносили на корундовые подложки трафаретной печатью. Образцы обжигали при 700°С в течение 5 часов на первом этапе и затем при 1100°С в течение 3 часов.

Для изучения формирования кристаллической структуры твердого раствора (In2O3)0.95(SnO2)0.05 из синтезированного ксерогеля использовали методы ДТА и РФА (фиг. 1 и фиг. 2). По результатам ДТА установлено, что процессы остаточной дегидратации, термического разложения ксерогеля и кристаллизации твердого раствора на основе оксида индия протекают параллельно:

На кривых ДТА отсутствует экзотермический эффект, характеризующий процесс образования твердого раствора на основе In2O3 (фиг. 1), хотя по результатам РФА, после термообработки ксерогеля при 350°С, на дифрактограмме регистрируется кристаллическая фаза, соответствующая однофазному твердому раствору In2O3 с кубической объемноцентрированной структурой С-типа и размером кристаллитов ~27-29 нм (фиг. 2).

Принцип работы газового сенсора основан на хемосорбции атомов активного кислорода, что приводит к окислению катионов In и к изменению концентрации носителей заряда, и соответственно к изменению удельного сопротивления.

Как видно из фиг. 3, пленка обладает сенсорным откликом на озон. В атмосфере, содержащей озон, электрическое сопротивление сенсора увеличивается, так как уменьшается концентрация носителей тока, согласно уравнению Крегера-Винка-Кофстада:

.

Удельное сопротивление практически не зависит от температуры во всем интервале температур, что свидетельствует о металлическом характере электронной проводимости, характерном для оксида индия.

Атомарный кислород получается в процессе распада озона в измерительной ячейке по следующему уравнению:

O3→O2

Время срабатывания сенсора на впуск озона в измерительную ячейку (0.10 объемных %) осуществляется при температуре 473 K и составляет 8 с. Диапазон измеряемых концентраций (50-1000 ppm О3).

При реализации заявленного способа были использованы следующие методы исследований и аппаратура. Исследования газочувствительных свойств в атмосфере озона с помощью установки «Программно-аппаратурный комплекс для исследования сенсорных свойств сенсорных пленок» в трубчатой печи в интервале температур.

Рентгенофазовый анализ (РФА, дифрактометр Дрон-3) для исследования кристаллической структуры и фазового состава порошков. Съемку проводили в интервале углов 2θ от 15 до 65°С при комнатной температуре на воздухе. Средний размер кристаллитов образовавшихся фаз вычисляли по формуле Дебая-Шерера. Дифференциальный термический анализ (ДТА, дериватограф Q-1000 фирмы MOM) на воздухе в интервале температур 20-1000°С для изучения процессов термического разложения кристаллогидратов. Термическая обработка порошков и спрессованных компактов в интервале температур 100-1400°С (электрическая печь фирмы Naberterm, силитовая печь с SiC-нагревателями).

Характеристики синтезированных сенсорных пленок характеризуются изменением температурной зависимости в среде, содержащей озон (фиг. 3)

- диапазон измеряемых концентраций - 50-1000 ppm О3.

- диапазон рабочих температур - от +227 до +700°С.

- удельное сопротивление 100 кОм.

- коэффициент чувствительности - 80-300 отн.ед.,

- быстродействие - 3-12 с,

- ресурс работы - 1000 ч.

Существенное влияние на характеристики газового сенсора оказывает качество поверхности и материал подложки. В данном изобретении нами использованы подложки из корунда (Al2O3).

Заявленный способ может быть реализован с использованием известного оборудования, технических и технологических средств и обеспечивает возможность регулировать пористость газочувствительной пленки, прочность и адгезию. Получаемые газочувствительные сенсорные пленки могут быть рекомендованы для обнаружения присутствия озона в промышленных помещениях, медицинских учреждениях, в быту и других целей.

1. Способ получения наноструктурированного газового сенсора на озон, включающий совместную кристаллизацию растворов солей или их соосаждение, отличающийся тем, что в качестве исходных реагентов используют растворы солей-прекурсоров (SnSO4, In(NO3)3*xH2O), получают оксидные порошки методом золь-гель совместной кристаллизации и соосаждения, после чего полученные порошки прокаливают при 120-400°С и обжигают при 650°С до получения твердого раствора на основе In2O3 с размером ОКР ~ 27-29 нм, затем приготавливают пасту со связующим на основе этилцеллюлозы [С6Н7O2(ОН)3-x(ОС2Н5)x]n и скипидара, причем в первой серии к навеске порошка добавляют 10 мас.% этилцеллюлозы и 5 мл скипидара, а для второй серии порошок смешивают с 30 мас.% этилцеллюлозы и 8 мл скипидара, затем после интенсивного перемешивания полученную пасту наносят на корундовые подложки трафаретной печатью, после чего образцы обжигают при 700°С в течение 5 часов на первом этапе и затем при 1100°С в течение 3 часов.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для формирования качественной газочувствительной сенсорной пленки соблюдают пропорцию оксидный порошок:связующее (этилцеллюлоза [С6Н7O2(ОН)3-x(ОС2Н5)x]n):скипидар в виде 5-10 г порошка:0,5-1 г этилцеллюлозы:1-2 мл скипидара.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к устройствам для определения влажности зерна. Каждый зерновой бункер содержит блок сбора данных, соединенный с множеством емкостных кабелей для измерения влажности, причем каждый содержит множество сенсорных узлов, расположенных вдоль него с шагом.

Изобретение относится к детекторному устройству, а именно к детекторам для спектрометров, которые могут быть использованы для обнаружения таких веществ как взрывчатка, наркотики, отравляющих веществ кожно-нарывного и нервнопаралитического действия и т.п.

Изобретение относится к методам неразрушающего контроля и позволяет обнаруживать дефекты малых размеров и глубокого залегания в сварных швах, соединяющих, преимущественно, неферромагнитные материалы.

Группа изобретений относится к оборудованию для проведения исследований в области медицины и физиологии. Коннектор для хронической стимуляции электровозбудимых клеток содержит основание и крышку, выполненные с возможностью герметичного соединения друг с другом, микроэлектродную матрицу, выполненную в виде массива из металлических микроэлектродов, сформированных на подложке, с чашей для культуры клеток и с контактными площадками по периметру, соединенными посредством токопроводящих дорожек с микроэлектродами, и плату с отверстием, с выступом, с прижимными пружинными контактами, соединенными токопроводящими дорожками.

Изобретение относится к способу контроля состояния впитывания впитывающего изделия, содержащему предоставление блока регистратора, получение состояния впитывания впитывающего изделия и запись данных, указывающих полученное состояние впитывания впитывающего изделия, в блок регистратора, причем получение состояния впитывания впитывающего изделия и запись данных, указывающих полученное состояние впитывания впитывающего изделия, в блок регистратора выполняются непрерывно в течение периода контроля впитывающего изделия.

Использование: для определения адгезионной прочности несплошных наноструктурированных покрытий. Сущность изобретения заключается в том, что способ определения адгезионной прочности покрытий к подложке включает выбор области покрытия, проведение воздействия на выбранную область, регистрацию данных о воздействии, анализируя которые судят об адгезионной прочности покрытий к подложке, при выборе области покрытия выделяют ряд участков покрытия, содержащих в совокупности по меньшей мере семь одиночных одномерных пьезоэлектрических нанообъектов, на каждый из выбранных участков проводят воздействие электрическим полем в режиме силовой микроскопии пьезоотклика, при этом регистрируют в виде изображения топографии участков и изображения пьезоотклика, визуально анализируя которые выявляют наличие ступенчатых переходов на изображениях пьезоотклика, которые характеризуют разделение одиночных одномерных пьезоэлектрических нанообъектов выбранных участков на часть нанообъектов, жестко закрепленную на подложке, и часть нанообъектов, незакрепленную на подложке, по изображениям топографии выбранных участков определяют общее количество содержащихся на участках нанообъектов и по изображениям пьезоотклика определяют количество нанообъектов на участках, характеризующихся ступенчатым переходом, по отношению (А) между общим количеством выявленных нанообъектов и количеством нанообъектов, характеризующихся ступенчатым переходом, судят об адгезионной прочности всего покрытия, при А<0,3 определяют отсутствие адгезионной прочности, при А>0,7 определяют максимальную адгезионную прочность.

Изобретение предназначено для экспрессного анализа «на месте» жидких и твердых продуктов по концентрации их газов-маркеров. Устройство для экспресс-анализа качества продуктов включает один пьезосенсор с чувствительным пленочным покрытием для сорбции газов-маркеров, встроенный в держатель крышки ячейки детектирования, и устройства для возбуждения колебаний, фиксирования и отображения сигналов пьезосенсора.

Группа изобретений относится к области наружного диагностического контроля технических параметров подземного трубопровода и уровня его коррозионной защищенности от влияния окружающей среды.

Группа изобретений относится к устройству и способам для анализа образца с помощью массовой цитометрии. В системе массового цитометра образец ткани, маркированный множеством металлических маркеров, поддерживается на кодированной подложке для построения профиля распределения с помощью лазерной абляции.

Использование: для контроля веществ. Сущность изобретения заключается в том, что устройство содержит последовательно включенные аналого-запоминающий блок, первую и вторую цепи преобразования, каждая из которых содержит последовательно соединенные узлы выборки и хранения, аналого-цифровой преобразователь, накапливающий усредняющий сумматор и отсчетный блок, выход первой цепи подключен к первому входу вычислительного устройства 14, а выход второй цепи присоединен к второму входу вычислительного устройства, у которого первый выход подключен к входам стробирования накапливающих усредняющих сумматоров, объединенных в шину «Время измерения», а второй выход вычислительного устройства соединен с входом управляемого генератора тактовых импульсов, первый выход генератора тактовых импульсов присоединен к первому тактовому входу аналого-запоминающего блока, а второй выход подключен к второму тактовому входу аналого-запоминающего блока, выход аналого-запоминающего блока связан с входом формирователя стробирующих импульсов, первый выход которого присоединен к входам стробирования узла выборки и хранения и аналого-цифрового преобразователя первой цепи, а второй выход подключен к входам стробирования узла выборки и хранения и аналого-цифрового преобразователя второй цепи, при этом источник излучения, элемент с объектом контроля, преобразователь физического поля включены последовательно, а выход преобразователя физического поля присоединен к входу аналого-запоминающего блока.

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам, применяемым для регистрации и изменения содержания аммиака. Датчик состоит из полупроводникового основания, выполненного в виде поликристаллической пленки антимонида галлия (1), и подложки, которой служит электродная площадка (2) пьезокварцевого резонатора (3).

Изобретение предназначено для мониторинга окружающей среды, в частности для автоматического непрерывного контроля концентрации горючих газов (метана - СН4, кислорода - O2 и угарного газа - СО) в жилых, коммунальных и производственных помещениях с целью обнаружения превышения допустимых концентраций и своевременного принятия эффективных мер, обеспечивающих снижение загазованности.

Описана интегральная схема (100), содержащая подложку (110); изолирующий слой (120) на упомянутой подложке; а также первый нанопроводниковый элемент (140a) и второй нанопроводниковый элемент (140b), смежный с упомянутым первым нанопроводниковым элементом на упомянутом изолирующем слое; в которой первый нанопроводниковый элемент расположен так, чтобы он подвергался воздействию среды, содержащей интересующий аналит, и в которой второй нанопроводниковый элемент защищен от упомянутой среды защитным слоем (150) на упомянутом втором нанопроводниковом элементе.

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам, применяемым для регистрации и измерения содержания микропримесей оксида углерода и .

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам, применяемым для регистрации и измерения содержания микропримесей диоксида азота.

Группа изобретений относится к области биохимии. Предложено устройство и способ для обнаружения целевых биомолекул с использованием вышеуказанного устройства.

Изобретение относится к изготовлению подложки из оксидного стекла для определения содержания паров воды в воздушной среде. На поверхность подложки путем ее подъема в горизонтальном положении с постоянной скоростью, варьируемой от 4⋅10-5 до 9⋅10-5 м/с, из водного раствора взаимодействующих компонентов: полимера, такого как поли-N,N-диметил-3,4-диметиленпирролидиний хлорид (ПДМПХ), и модификатора – гексацианоферрата(II) калия наносят пленку поли-N,N-диметил-3,4-диметиленпирролидиний цианида (ПДМПЦ).

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам для регистрации и измерения содержания оксида углерода. Датчик состоит из полупроводникового основания 1, выполненного в виде поликристаллической пленки твердого раствора состава (CdSe)0,85(CdTe)0,15 и подложки, которой служит электродная площадка 2 пьезокварцевого резонатора 3.

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам для регистрации и измерения содержания аммиака. Датчик состоит из полупроводникового основания (1), выполненного в виде поликристаллической пленки твердого раствора (GaAs)0,75 (ZnSe)0,25, и подложки, которой служит электродная площадка (2) пьезокварцевого резонатора (3).

Изобретение относится к способу формирования пленок для определения содержания паров воды в воздушной среде на поверхности подложек из оксидных стекол. Технический результат – увеличение электрической проводимости, повышение чувствительности к содержанию паров воды в воздушной среде и улучшение микротвердости, однородности.
Предложен способ производства мороженого с экстрактом эхинацеи. В процессе производства в получаемый продукт вводят наноструктурированную добавку, включающую экстракт эхинацеи в альгинате натрия, из расчета 1,5 г наноструктурированной добавки на 1000 г готового мороженого.

Изобретение относится к технологии получения высокочувствительного резистивного газового сенсора на озон на основе оксидных пленок в системе In2O3-SnO2. Способ получения наноструктурированного газового сенсора на озон включает совместную кристаллизацию растворов солей или их соосаждение, при этом в качестве исходных реагентов используют растворы солей-прекурсоров 3*xH2O), получают оксидные порошки методом золь-гель совместной кристаллизации и соосаждения, после чего полученные порошки прокаливают при 120-400°С и обжигают при 650°С до получения твердого раствора на основе In2O3 с размером ОКР ~ 27-29 нм, затем приготавливают пасту со связующим на основе этилцеллюлозы [С6Н7O23-xx]n и скипидара, причем в первой серии к навеске порошка добавляют 10 мас. этилцеллюлозы и 5 мл скипидара, а для второй серии порошок смешивают с 30 мас. этилцеллюлозы и 8 мл скипидара, затем после интенсивного перемешивания полученную пасту наносят на корундовые подложки трафаретной печатью, после чего образцы обжигают при 700°С в течение 5 часов на первом этапе и затем при 1100°С в течение 3 часов. Технический результат – повышение чувствительности сенсора. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Наверх