ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ГАЗОВОГО ДАТЧИКА Российский патент 1994 года по МПК G01N27/12 

Изобретение относится к газовому анализу и газоаналитическому приборостроению, в частности к газовым датчикам с полупроводниковыми чувствительными элементами для анализа горючих газов (предельных и непредельных углеводородов, водорода, паров бензина, ацетона, спиртов и т. д. ) и газов, содержащихся в продуктах сгорания природных топлив (SO₂, NO_x, СО, СО₂, О₂ и т. д. ).

Предметом изобретения является тонкопленочный полупроводниковый чувствительный элемент газового датчика, реагирующий на присутствие газов и паров изменением электропроводности полупроводникового слоя.

Известно техническое решение, заключающееся в том, что чувствительный элемент газового датчика состоит из полупроводникового слоя оксида железа, сопротивление которого падает при наличии в окружающей атмосфере горючих компонентов .

Однако электросопротивление беспримесных полупроводников сильно зависит от температуры и недостатками указанного технического решения являются нестабильность в работе, низкая чувствительность и невысокая селективность чувствительного элемента.

Известно также техническое решение, заключающееся в том, что чувствительный элемент газового датчика содержит полупроводниковый слой оксида железа с примесями оксидов щелочных металлов, позволяющими повысить чувствительность слоя к парам воды .

Указанный чувствительный элемент не обладает высокой селективностью (в особенности в присутствии легко восстанавливающихся оксидов), стабильностью в работе и имеет недостаточную чувствительность.

Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является техническое решение, заключающееся в том, что чувствительный элемент газового датчика содержит последовательно расположенные на диэлектрической подложке слой основного оксидного полупроводника, слой дополнительного оксидного полупроводника, содержащего примеси оксидов металлов, и слой платины .

Указанная совокупность существенных признаков (прототип) недостаточна для достижения высокой чувствительности, селективности и стабильности характеристик во времени.

Цель изобретения - высокая стабильность характеристик чувствительного элемента во времени, его высокая чувствительность и избирательность к определяемым газам.

Цель достигается тем, что чувствительный элемент газового датчика, содержащий последовательно расположенные на диэлектрической подложке слой основного оксидного полупроводника, слой дополнительного оксидного полупроводника с примесями оксидов металла и слой платины, дополнительно содержит слой платины, расположенный между основным и дополнительным слоями оксидных полупроводников, причем толщина дополнительного слоя платины составляет (0,03. . . 0,11)δ , толщина внешнего слоя платины - (0,07. . . 0,15) δ, толщина дополнительного слоя оксидного полупроводника - (0,1. . . 0,7)δ , где δ - толщина слоя основного оксидного полупроводника, а в качестве примесей использованы оксиды хрома, железа, никеля и титана при следующем соотношении компонентов, мас. % : Оксид хрома 1,5-2,0 Оксид железа 8,0-16,0 Оксид никеля 1,0-2,0 Оксид титана 0,5-1,0
Оксидный полупроводник Остальное, причем в качестве оксидного полупроводника преимущественно используют оксид олова и/или оксид индия.

Примеси в слое дополнительного оксидного полупроводника образуют сложные химические соединения, взаимодействующие с омывающими чувствительный элемент газами по различным механизмам и тем самым проявляющие различную, зависящую от температуры, адсорбционную активность к этим газам.

Вид примесей и их количественное соотношение, указанные в формуле изобретения, позволили осуществить селективный контроль практически всех горючих газов и газов-продуктов горения природных топлив. Настройка на определенный компонент газовой среды осуществляется подбором температурного режима чувствительного элемента. При этом в области максимальной чувствительности полупроводниковой пленки к определенному газовому компоненту (рабочий режим) электросопротивление чувствительного элемента не обладает резкой температурной зависимостью, что обеспечивает устойчивые показания датчика при колебаниях температуры контролируемой газовой среды.

В качестве полупроводника возможно использовать любой из простых полупроводниковых оксидов (ZnO, V₂O₅, WO₃, МоО₃ и т. д. ), а также сложные оксиды типа хромитов, манганитов или кобальтитов редкоземельных элементов, бронзы и т. д. Предпочтительный материал полупроводника - оксид олова и/или оксид индия.

Дополнительный слой платины, расположенный между основным и дополнительным слоями оксидных полупроводников, повышает стабильность характеристик чувствительного элемента на протяжении его эксплуатации.

Толщина дополнительного внутреннего платинового слоя менее 0,3 δ (где δ - толщина слоя основного оксидного полупроводника) приводит к неустойчивым во времени характеристикам датчика, а более 0,11 δ - к шунтированию основного слоя чувствительного элемента. Толщина вспомогательного оксидного полупроводникового слоя менее 0,1 δ и более 0,7δ не приводит к требуемому техническому результату. Внешний слой платины толщиной менее 0,7 δ оказывает слабый каталитический эффект, а с толщиной более 0,15 δ мешает взаимодействию анализируемого газа с полупроводниковой пленкой, вызывая снижение чувствительности элемента к определяемому компоненту.

На чертеже схематически изображен чувствительный элемент газового датчика в разрезе.

Многослойный чувствительный элемент, состоящий из слоев 1-4, изготовленных по тонкопленочной технологии, содержит основной слой 4 из оксидного полупроводника, внешний платиновый слой 1 и расположенные между ними дополнительный внутренний слой платины 3 и дополнительный слой 2 из оксидного полупроводника с примесями оксидов хрома, железа, никеля и титана. Все четыре слоя чувствительного элемента расположены на диэлектрической подложке 5, снабженной толстопленочным нагревателем 6.

Чувствительный элемент, разогретый до рабочей температуры нагревателем 6 через диэлектрическую подложку 5 (на каждый вид контролируемого газа - свое характерное значение рабочей температуры), помещают в анализируемый газ (или обдувают им чувствительный элемент). При изменении содержания контролируемого компонента в анализируемом газе изменяется сопротивление многослойной структуры чувствительного элемента, которое измеряют и по которому судят о составе газовой среды (датчик предварительно калибруют поверочными газовыми смесями).

Пример конкретного промышленного осуществления.

По предлагаемой в изобретении конструкции был изготовлен оксидный полупроводниковый газовый датчик содержания метана в газовой среде промышленных шахт. На подложку из оксида алюминия вакуумным напылением наносили последовательно основной слой диоксида олова толщиной 0,9 мкм, дополнительный слой платины толщиной 30 , дополнительный слой диоксида олова (86,0 мас. % ) с примесями оксидов: хрома - 1,5 мас. % ; железа - 10,0 мас. % ; никеля - 1,8 мас. % ; титана - 0,7 мас. % ; толщиной 0,1 мкм и внешний слой платины толщиной 70 .

Реализованная конструкция чувствительного элемента позволила получить датчик содержания метана в диапазоне 0,1-20 об. % с устойчивой воспроизводимостью результатов, малой инерционностью (менее 1 с), высокой чувствительностью (0,05 об. % ) и избирательностью (проверено влияние газовых смесей со следующими компонентами: СО, NO_x, H₂, CO₂, SO₂, O₂, C_nH_m).

Использование: предназначено для анализа оксидов серы, азота и углерода, кислорода, водорода, паров бензина, ацетона, спирта и горючих газов. Сущность изобретения: элемент содержит последовательно расположенные на диэлектрической подложке слой основного оксидного полупроводника, слой дополнительного оксидного полупроводника, содержащего примеси оксидов металлов, слой платины, расположенной между полупроводниковыми слоями, и внешний слой платины. В качестве примесей использованы оксиды хрома, железа, никеля и титана при следующем соотношении компонентов, мас. % : оксид хрома 1,5 - 2,0; оксид железа 8,0 - 16,0; оксид никеля 1,0 - 2,0; оксид титана 0,5 - 1,0; оксидный полупроводник - остальное. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ГАЗОВОГО ДАТЧИКА, содержащий последовательно расположенные на диэлектрической подложке слой основного оксидного полупроводника, слой дополнительного оксидного полупроводника, содержащего примеси оксидов металлов, и слой платины, отличающийся тем, что он дополнительно содержит слой платины, расположенный между основным и дополнительным слоями оксидных полупроводников, причем толщина дополнительного слоя платины составляет ( 0,03 - 0,11)˙δ, толщина внешнего слоя платины составляет ( 0,07 - 0,15 )˙δ, толщина дополнительного слоя оксидного полупроводника составляет ( 0,1 - 0,71 )˙δ, где δ - толщина основного оксидного полупроводникового слоя, а в качестве примесей использованы оксиды хрома, железа, никеля и титана при следующем соотношении компонентов, мас. % :
Оксид хрома 1,5 - 2,0
Оксид железа 8,0 - 16,0
Оксид никеля 1,0 - 2,0
Оксид титана 0,5 - 1,0
Оксидный полупроводник Остальное
2. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что в качестве полупроводника использован оксид олова и/или оксид индия.