ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ К ФТОРУ И ФТОРИСТОМУ ВОДОРОДУ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 1994 года по МПК G01N27/407 

Изобретение относится к созданию микродатчиков химических величин и может быть использовано в датчике для определения концентраций фтора и фтористого водорода в различных отраслях народного хозяйства, а также в экологии.

Известен электрохимический чувствительный элемент на F₂ и HF с использованием в качестве материала твердого электролита моно- и поликристаллических пористых и плотных объемных структур на основе твердого раствора LaF₃-SrF₂ [1] . Такой чувствительный элемент на F₂ и HF имеет ряд недостатков, поскольку может работать в ограниченном диапазоне концентраций (до 20 ррm) и имеет низкое быстродействие с временем отклика, достигающим минут и еще большим временем релаксации.

Эти недостатки ограничивают применение твердоэлектролитных газовых сенсоров на объемных структурах в системах контроля утечек фтора и фтористого водорода, где требуется высокое быстродействие (секунды) и широкий диапазон измеряемых концентраций (от 0,1 до 1000 ррm).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому чувствительному элементу является выбранный в качестве прототипа тонкопленочный чувствительный элемент для контроля фтора и фтористого водорода [2] , в котором в качестве газочувствительного слоя использован трифторид лантана и LaF₃, легированный дифторидом кальция (до 12 мас. % ). Химический сенсор представляет сапфировый кристалл, на одну сторону которого нанесен платиновый нагреватель, а на другую - планарная структура из тонкопленочного газочувствительного слоя и двух толстопленочных контактов к нему.

Пороговая чувствительность датчиков по ионам фтора Ippm, быстродействие 30 с, рабочая температура при использовании тонкопленочного трифторида лантана и трифторида лантана, легированного дифторидом кальция, составляла 600^оС и 450-500^оС соответственно. Недостатком данного решения, ограничивающим его применение, является высокая рабочая температура чувствительного элемента, а значит, большое энергопотребление и низкая чувствительность по ионам фтора.

Целью изобретения является снижение рабочей температуры чувствительного элемента, повышение быстродействия и чувствительности к фтору и фтористому водороду.

Цель достигается тем, что в чувствительном элементе, представляющем сапфировый кристалл, на одну сторону которого нанесен нагреватель, а на другую - планарная структура из тонкопленочного газочувствительного слоя твердого электролита на основе LaF₃ и двух электродов к нему, газочувствительный слой легирован дифторидом стронция с концентрацией от 4 до 8 мол. % , платиновые электроды к нему выполнены тонкопленочными, встречно-штыревыми.

Толщина газочувствительного слоя составляет не более 0,7 мкм.

Для удешевления чувствительного элемента нагреватель может быть выполнен из тонкопленочного никеля.

Изобретение поясняется чертежом.

Чувствительный элемент содержит диэлектрическую подложку из лейкосапфира (кристалла) 1, на поверхность которой осажден тонкопленочный газочувствительный слой 2 из твердоэлектролитного материала. В качестве твердого электролита использован трифторид лантана, легированный двухвалентным стронцием, а электроды 3 к нему встречно-штыревого типа выполнены из платины. На обратной стороне сапфирового кристалла 1 изготовлен тонкопленочный нагревательный элемент 4, который может быть выполнен из никеля. Осаждение слоев чувствительного элемента осуществлялось методом вакуумного напыления, а формирование топологии - фотолитографическим способом.

Чувствительный элемент работает следующим образом.

При появлении в анализируемой среде фтора или фтористого водорода начинается их разложение на поверхности чувствительного элемента, что приводит к появлению в твердом электролите 2 фтор-ионов, которые под действием приложенного напряжения к электродам 3 смещаются к положительному электроду. Во внешней цепи появляется электрический ток, величина которого является мерой концентрации фтора или фтористого водорода.

При максимальной чувствительности и быстродействии из-за введения легирующих добавок имеет место высокая фтор-ионная проводимость по вакансионному механизму и снижена рабочая температура чувствительного элемента. В трифторид лантана введен дифторид стронция в концентрации 4. . . 8 мол. % , что резко снизило температуру плавления подрешетки фтора до температуры 80. . . 120^оС, которая обеспечивает стабильную и оптимальную, с точки зрения газочувствительных свойств, работу элемента.

Конструкция электродов 3 встречно-штыревого типа позволила обеспечить работу чувствительного элемента при невысоком напряжении (< 1 В) и повысить чувствительность к фтору и фтористому водороду.

Платина является устойчивым материалом электродов 3 к слою 2 твердого электролита с фтор-ионной проводимостью и в сочетании с низкотемпературным режимом работы приводит к длительному сроку жизни чувствительного элемента.

Ограничение максимальной толщины слоя твердого электролита 0,7 мкм обусловлено ухудшением динамических характеристик чувствительного элемента.

Экспериментальные исследования газочувствительных характеристик заявляемого чувствительного элемента по сравнению с прототипом показали следующие преимущества: высокая чувствительность и широкий диапазон определяемых концентраций фтора и фтористого водорода от 0,1 до 1000 ррm, что позволяет использовать чувствительный элемент как для контроля рабочих зон, так и для обнаружения утечек и контроля выбросов; низкая рабочая температура чувствительного элемента (80. . . 120^оС), что снижает энергопотребление прибора с автономным источником питания; высокое быстродействие с временем выхода на установившееся значение выходного сигнала лучше 10 с и временем релаксации до 1 мин. Этот параметр прибора является особенно важным при использовании в системах техники безопасности для контроля утечек и аварийных ситуаций. (56) 1. "Химические сенсоры-89". Всесоюзная конференция 20-24 ноября, 1989, Ленинград, Тезисы докладов, т, II, с. 144.

2. "Химические сенсоры-89". Всесоюзная конференция 20-24 ноября, 1989, Ленинград. Тезисы докладов, т. II, с. 186.

Использование: для определения концентраций фтора и фтористого водорода в различных отраслях народного хозяйства, а также в экологии. Сущность изобретения: газочувствительный слой на основе трифторида лантана с добавкой 4 - 8 мол. % дифторида стронция на сапфировый кристалл. Толщина слоя не более 0,7 мкм. Электроды выполнены из платины тонкопленочными, встречно-штыревыми. Нагреватель выполнен из тонкопленочного никеля. 2 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ К ФТОРУ И ФТОРИСТОМУ ВОДОРОДУ элемент, представляющий сапфировый кристалл, на одну сторону которого нанесен нагреватель, а на другую - планарная структура из тонкопленочного газочувствительного слоя твердого электролита на основе трифторида лантана и двух электродов к нему, отличающийся тем, что, с целью снижения рабочей температуры чувствительного элемента, повышения быстродействия и чувствительности к фтору и фтористому водороду, газочувствительный слой легирован дифторидом стронция концентрацией 4 - 8 мол. % , платиновые электроды к нему выполнены тонкопленочными, встречно-штыревыми. 2. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что толщина газочувствительного слоя не более 0,7 мкм. 3. Элемент по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что с целью удешевления чувствительного элемента, нагреватель выполнен из тонкопленочного никеля.