Графеновый сенсор для регистрации газообразных веществ

Использование: для контроля концентрации газовых составляющих в атмосфере при различных условиях. Сущность изобретения заключается в том, что графеновый сенсор включает диэлектрическую подложку, выполненную из карбида кремния, которая покрыта слоем графена, слой графена получен сублимацией карбида кремния, контактные площадки контактируют со слоем графена по торцам, для размещения контактных площадок предусмотрены выполненные ионно-лучевым травлением канавки. Технический результат: обеспечение возможности повышения чувствительности сенсора, упрощения его конструкции, а также увеличения срока службы. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к приборам для исследования и анализа материалов с помощью электрических средств, в частности к приборам для исследования и анализа газов путем измерения активного сопротивления слоя графена.

Известен графеновый сенсор для измерения в окружающей атмосфере, в основном, концентрации двуокиси углерода. (Заявка US 2015377824 «Graphene gas sensor for measuring the concentration of carbon dioxide in gas environments)), filled: June 26, 2015, published: December 31, 2015). Известный газовый сенсор содержит подложку, выполненную, в частности из кремния, на которой расположен изолирующий слой, электродный слой, контактирующий со слоем графена, и слой галогенида, покрывающий, по крайней мере, часть поверхности графена, обращенной в направлении окружающей среды.

Известный сенсор предназначен, в основном, для измерения концентрации двуокиси углерода, при этом слой галогенида, покрывающий часть поверхности графена, непроницаем для таких газов как NO2, Н2О и H2S, т.е. область применения известного сенсора очень ограничена.

Что касается конструкции сенсора, то структура сенсора многослойная, система контактов сформирована на изолирующем слое, слой графена сформирован поверх системы электрических контактов, т.е. имеет переменную толщину, что отрицательно влияет на точность и объективность результатов измерений. Взаимное расположение контактов, изолирующего слоя и слоя графена, материалы из которых они изготовлены, и технология изготовления такой структуры не позволяют обеспечить высокую механическую прочность прибора в целом, в особенности при условии неизбежных циклических и термических нагрузок.

Известен также графеновый сенсор для регистрации газообразных веществ, содержащий диэлектрическую подложку, слой графена на поверхности подложки и контактные площадки, контактирующие со слоем графена (Патент US 9678036 «Graphene-based gas and bio sensor with high sensitivity and selectivity», filled: March 13, 2014, date of patent June 13, 2017). В известном устройстве подложка выполнена из легированного кремния и покрыта диэлектрическим слоем, выполненным предпочтительно из окиси кремния, на поверхности которого сформирован слой графена. На поверхности слоя графена сформированы входящая и отводящая контактные площадки, соединенные с предусилителем, который обеспечивает усиление колебаний тока. В качестве параметра измерения в известном устройстве используется изменение амплитуды и профиля спектра электрических шумов.

Как указано в патенте US 9678036 различные газы по-разному влияют на низкочастотные спектры шумов графенового сенсора, кроме того, некоторые газы влияют на изменение спектров шумов, а некоторые на изменение сопротивления слоя графена. Учитывая, что, как правило, в окружающей атмосфере присутствуют смеси газов и усилительная схема устройства достаточно сложная, имеют место погрешности измерений, обусловленные погрешностями измерений компонентов схемы и влиянием на результаты измерений газового состава. Таким образом, чувствительность устройства в целом ограничена, а для получения объективных результатов требуются дополнительные калибровки и настройки.

Следует также отметить, что срок службы известного сенсора ограничен прочностью соединения элементов сенсора (диэлектрической подложки, выполненной из SiO2 со слоем графена и слоя графена с контактными площадками, полученными электронно-лучевым напылением непосредственно на поверхность слоя графена) при воздействии механических и термических колебаний.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение чувствительности сенсора, упрощение его конструкции, а также увеличение срока службы за счет повышения стойкости к внешним воздействиям.

Технический результат достигается за счет того, что в графеновом сенсоре для регистрации газообразных веществ, содержащем диэлектрическую подложку, слой графена на поверхности подложки и контактные площадки, контактирующие со слоем графена, диэлектрическая подложка выполнена из карбида кремния, поверхность подложки покрыта слоем графена, полученного сублимацией карбида кремния, вдоль торцов подложки предусмотрены выполненные ионно-лучевым травлением канавки для размещения контактных площадок ступенчатой формы, контактирующих с торцами слоя графена и частью поверхности слоя графена, прилегающей к контактным площадкам.

Наиболее предпочтительна толщина слоя графена составляющая один моноатомный слой.

Контактные площадки целесообразно изготовить в форме многослойной структуры, состоящей из Ti, Au и Ni.

Предпочтительно, чтобы слой, контактных площадок контактирующий с диэлектрической подложкой был выполнен из Ti, а слой ступенчатой формы, контактирующий со слоем графена был выполнен из Au и покрыт слоем Ni.

В графеновом сенсоре, выполненном в соответствии с изобретением, диэлектрическая подложка выполнена из карбида кремния, который фактически является диэлектриком с высоким сопротивлением, т.е. промежуточные диэлектрические слои не требуются. Основа сенсора - слой графена на карбиде кремния. Достоинством такой структуры является сильная связь между подложкой и слоем графена, которая возникает из-за образования буферного слоя в процессе получения слоя графена сублимацией карбида кремния. Благодаря сильной связи слоя графена с подложкой из карбида кремния, сенсор, выполненный в соответствии с изобретением способен выдерживать различные механические, термические и химические воздействия, за счет чего и достигается повышение его срока службы.

Отличительной особенностью сенсора предлагаемой конструкции является также форма выполнения и размещение контактных площадок. Контактные площадки ступенчатой формы обеспечивают контакт со слоем графена по торцам и незначительной частью поверхности слоя графена, прилегающего к торцам. В известных устройствах контактные площадки расположены либо сверху, либо снизу и контактируют со слоем графена в вертикальном направлении, образуя энергетический барьер и ограничивая чувствительность сенсора. Графен характеризуется наилучшей проводимостью вдоль плоскости слоя, поэтому расположение контактных площадок по торцам слоя обеспечивает высокую подвижность носителей, омическое сопротивление контактных площадок в этом случае снижается и, как следствие, обеспечивается повышение чувствительности сенсора в целом.

Выполнение контактных площадок ступенчатой формы и обеспечение их контакта не только по торцам, но и с частью поверхности, прилегающей к контактным площадкам обеспечивает одновременно повышение надежности электрического контакта за счет плотности прилегания контактных площадок к слою графена, а также прочность и стойкость к механическим воздействиям конструкции в целом.

Контактные площадки размещены в канавках, полученных ионно-лучевым травлением для обеспечения хорошей адгезии материалов, из которых изготовлены контактные площадки, как к слою графена, так и к карбиду кремния, что является необходимым условием обеспечения как высокой чувствительности сенсора, так и его механической прочности.

При толщине слоя графена в один моноатомный слой, в нем обеспечивается наилучшая подвижность носителей.

Экспериментально установлено, что Ti обладает хорошей адгезией к карбиду кремния, a Au, в свою очередь одновременно хорошей адгезией к титану, высокой проводимостью и одновременно низкой химической активностью, что обеспечивает надежность конструкции как в условиях термических, так и механических нагрузок. Поверхностный слой Ni необходим для обеспечения возможности создания надежных паяных соединений контактных площадок сенсора с элементами схем измерений.

Изобретение поясняется чертежами:

фиг. 1 - графеновый сенсор для регистрации газообразных веществ,

фиг. 2 - график отклика графенового сенсора при комнатной температуре на крайне низкие концентрации диоксида азота,

фиг. 3 - график отклика графенового сенсора при комнатной температуре на воздействие газовой смеси, содержащей NO2 в низких концентрациях при осуществлении прогрева сенсора между измерениями до температуры 110°С. Графеновый сенсор, представленный на фиг. 1 содержит выполненную из карбида кремния подложку 1, поверхность которой покрыта слоем графена 2, полученного сублимацией карбида кремния. Вдоль торцов подложки предусмотрены канавки 3 для размещения контактных площадок 4. Контактные площадки ступенчатой формы выполнены в форме многослойной структуры, состоящей из Ti, Au, и Ni. Контактные площадки контактируют с торцами слоя графена 5 и частью слоя графена 6, прилегающей к контактным площадкам.

На фиг. 2 представлен график отклика графенового сенсора, выполненного в соответствии с изобретением, при комнатной температуре на крайне низкие концентрации диоксида азота. Оксид азота (NO2) является сильным окислителем, эффективно захватывающим электроны с поверхности, на которую адсорбируется. Поэтому его адсорбция на поверхности графена уменьшает концентрацию электронов и увеличивает концентрацию дырок, что приводит к увеличению удельного сопротивления графена n-типа проводимости. Уже при концентрации NO2 в 1 ppb (1 миллиардная доля (млрд-1)) сенсор демонстрирует отклик примерно в 3%.

Испытания сенсора в подвижных устройствах и при резких колебаниях температуры показали, что механические и температурные факторы не влияют на его показания.

График фиг. 3 показывает, что после прогрева происходит восстановление сопротивления сенсора до исходного значения R0. В ходе проведения испытаний не было выявлено признаков деградации компонентов сенсора (слой графена, подложка карбида кремния, металлические контакты к графену, сварка алюминиевых проволочек) при периодическом прогреве чипа до температуры 100-150°С.

1. Графеновый сенсор для регистрации газообразных веществ, содержащий диэлектрическую подложку, слой графена на поверхности подложки и контактные площадки, контактирующие со слоем графена, отличающийся тем, что диэлектрическая подложка выполнена из карбида кремния, поверхность подложки покрыта слоем графена, полученного сублимацией карбида кремния, вдоль торцов подложки предусмотрены выполненные ионно-лучевым травлением канавки для размещения контактных площадок ступенчатой формы, контактирующих с торцами слоя графена и частью поверхности слоя графена, прилегающей к контактным площадкам.

2. Графеновый сенсор по п. 1, отличающийся тем, что толщина слоя графена составляет один моноатомный слой.

3. Графеновый сенсор по п. 1, отличающийся тем, что контактные площадки выполнены в форме многослойной структуры, состоящей из Ti, Au и Ni.

4. Графеновый сенсор по п. 1, отличающийся тем, что контактные площадки выполнены в форме трехслойной, структуры, при этом слой, контактирующий с диэлектрической подложкой, выполнен из Ti, а слой ступенчатой формы, контактирующий с графеновой пленкой, выполнен из Au и покрыт слоем Ni.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к промышленной безопасности. Система постоянного контроля концентрации паров углеводородов нефти и нефтепродуктов в воздухе рабочей зоны при проведении огневых и газоопасных работ включает в себя передвижной газоанализатор, блок контроля и управления и блок исполнения радиокоманд.

Изобретение относится к технике газового контроля и может быть использовано для настройки и градуировки газоанализаторов хлористого, фтористого и бромистого водорода, а также в качестве источников газообразных галогеноводородов.

Согласно изобретению чувствительный элемент для определения физического свойства газа, в первую очередь для определения концентрации газового компонента, или температуры, или твердого компонента, или жидкого компонента отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, содержит твердоэлектролитную пластинку (21) и расположенные друг против друга в его продольном направлении первый концевой участок и второй концевой участок, при этом чувствительный элемент содержит функциональный элемент, который расположен вне второго концевого участка (202), который на первом концевом участке электрически соединен с контактной площадкой (43, 44), расположенной на втором концевом участке (202) чувствительного элемента (20) на его наружной поверхности.

Согласно изобретению чувствительный элемент для определения физического свойства газа, в первую очередь для определения концентрации газового компонента, или температуры, или твердого компонента, или жидкого компонента отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, содержит твердоэлектролитную пластинку (21) и расположенные друг против друга в его продольном направлении первый концевой участок и второй концевой участок, при этом чувствительный элемент содержит функциональный элемент, который расположен вне второго концевого участка (202), который на первом концевом участке электрически соединен с контактной площадкой (43, 44), расположенной на втором концевом участке (202) чувствительного элемента (20) на его наружной поверхности.

Изобретение относится к области очистки отработанных газов двигателя внутреннего сгорания. Изобретение относится к способу и устройству для эксплуатации датчика (7), предусмотренного в системе выпуска отработавших газов двигателя (1) внутреннего сгорания для определения выбросов, содержащихся в потоке отработавших газов, в частности, оксидов азота, аммиака, кислорода и/или сажи.

Изобретение относится к области сенсорной техники и нанотехнологий, в частности к способам изготовления устройств распознавания и детектирования компонентов газовых смесей.

Использование: для создание системы управления двигателя внутреннего сгорания. Сущность изобретения заключается в том, что система управления для двигателя внутреннего сгорания содержит датчик на основе предельного тока, система управления содержит электронный блок управления, выполненный с возможностью: выполнения процесса сканирования с постепенным снижением приложенного к датчику напряжения от первого (V1) напряжения до второго (V2) напряжения; получения критического значения (Ip) выходного тока датчика во время выполнения процесса сканирования из выходных токов датчика, в то время когда к датчику приложено напряжение, входящее в определенный диапазон, причем критическое значение прогнозируется на основе выходного сигнала; и определение концентрации SOx в выхлопных газах на основе этого критического значения и базового значения, это базовое значение является значением предельного тока датчика, при этом значение предельного тока датчика соответствует концентрации кислорода, имеющей постоянное значение.

В заявке описан датчик (10) для определения по меньшей мере одного свойства анализируемого газа в заполненном им пространстве. Такой датчик (10), имеющий корпус (12) с отверстием (14), через которое из корпуса (12) выведен по меньшей мере один соединительный провод (18), и по меньшей мере один уплотнительный элемент (20), прежде всего проходную втулку, который по меньшей мере частично окружает соединительный провод (18) и имеет по меньшей мере один первый участок (28) и по меньшей мере один второй участок (30), из которых первый участок (28) обладает большей деформируемостью, чем второй участок (30), отличающийся тем, что уплотнительный элемент (20) выполнен из по меньшей мере одного полимерного материала, содержащего по меньшей мере один пластификатор, при этом первый участок (28) и второй участок (30) содержат пластификатор в полимерном материале в разном количестве.

Группа изобретений относится к области измерительной техники и может быть использована для измерения таких параметров режима работы, как температура и/или влажность.

Использование: для осуществления детектирования и анализа газов и многокомпонентных газовых смесей. Сущность изобретения заключается в том, что способ осуществляют методом электрохимического осаждения в емкости, оборудованной электродом сравнения и противоэлектродом и заполненной раствором, содержащим нитрат-анионы и катионы олова из солей SnCl2 с концентрацией 0,05-0,15 моль/л и NaNO3 с концентрацией 0,1-0,3 моль/л, слой оксида олова в виде нанокристаллов осаждают с помощью циклической вольтамперометрии на диэлектрическую подложку, оборудованную полосковыми сенсорными электродами, выполняющими роль рабочего электрода, в растворе, величина pH которого составляет 1,45±0,02, путем изменения потенциала, подаваемого на сенсорные электроды, от 0 В в отрицательную сторону относительно потенциала электрода сравнения, до величин не менее -1,7 В со скоростью развертки потенциала в диапазоне 0,02-0,25 В/с, затем осуществляют увеличение потенциала до величины не выше +2,0 В и обратное снижение до 0 В с той же скоростью развертки, при этом описанную циклическую последовательность изменения потенциалов применяют многократно до исчезновения пика на кривой циклической вольтамперометрии.

Использование: для контроля концентрации газовых составляющих в атмосфере при различных условиях. Сущность изобретения заключается в том, что графеновый сенсор включает диэлектрическую подложку, выполненную из карбида кремния, которая покрыта слоем графена, слой графена получен сублимацией карбида кремния, контактные площадки контактируют со слоем графена по торцам, для размещения контактных площадок предусмотрены выполненные ионно-лучевым травлением канавки. Технический результат: обеспечение возможности повышения чувствительности сенсора, упрощения его конструкции, а также увеличения срока службы. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Наверх