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.

Известен чувствительный элемент газового датчика, содержащий полупроводниковую оксидную пленку из оксида цинка (89,9. . . 20 мол. % ) с примесями оксида хрома (0,1. . . . 20 мол. % ) и группы оксидов металлов, среди которой могут быть оксиды никеля, железа, титана (10. . . 60 мол. % ) [1] .

Указанный чувствительный элемент обладает недостаточно высокой чувствительностью, сложен по компонентному составу и структурно нестабилен.

Наиболее близкое техническое решение заключается в том, что чувствительный элемент газового датчика содержит расположенную на диэлектрической подложке полупроводниковую пленку оксида железа с примесями, в состав которых могут входить оксиды титана, никеля и хрома [2] .

Основные недостатки известного решения - недостаточно высокие чувствительность, селективность и стабильность характеристик чувствительного элемента.

Цель изобретения - высокая стабильность рабочих характеристик чувствительного элемента газового датчика во времени, его высокая чувствительность и избирательность к детектируемым газам.

Цель достигается тем, что в известном чувствительном элементе, содержащем на диэлектрической подложке оксидную полупроводниковую пленку с примесями оксидов металлов, примеси, согласно изобретению, расположены только в поверхностном слое оксидной полупроводниковой пленки на глубине 5-35% от ее толщины, а в качестве примесей выбраны 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 на полупроводниковой пленке дополнительно может быть расположен слой платины, составляющий 0,5-1,5 % от ее толщины.

Примеси в поверхностном слое оксидной полупроводниковой пленки образуют сложные химические соединения, взаимодействующие с окружающими 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.

Однако большое количество введенных примесей приводит к различным структурным несовершенствам, благодаря которым возможно падение скорости движения электронов и дырок в оксидном полупроводнике в электрическом поле, другие нежелательные эффекты. Поэтому примеси, согласно изобретению, расположены только в поверхностном слое пленки на глубине не более 35% от ее толщины во избежание шунтирующего эффекта и эффекта растрескивания, и не менее 5% с целью обеспечения необходимой селективности датчика.

Полупроводниковую пленку желательно покрыть слоем платины, выполняющей функцию катализатора. Слой платины тоньше 0,5% от толщины пленки не оказывает заметного каталитического эффекта, а более 1,5% - затрудняет доступ газа к поверхности полупроводника.

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.

На чертеже схематически изображен чувствительный элемент газового датчика в разрезе.

Чувствительный элемент содержит внешний платиновый слой 1, поверхностный слой с примесями 2 полупроводниковой пленки 3 и расположен на диэлектрической подложке 4, с противоположной стороны которой расположена резистивная пленка 5 для разогрева чувствительного элемента до рабочей температуры.

Работает чувствительный элемент следующим образом. Разогретый до рабочей температуры (на каждый вид определяемого газа - своя характерная рабочая температура) нагревателем 5 чувствительный элемент, расположенный на противоположной по отношению к нагревателю стороне подложки 4, обдувают (или размещают) анализируемым газом (в анализируемом газе). Внешний слой платины 1 и поверхностный слой с примесями 2 активизируют процесс обратимой хемосорбции контролируемого газа. При этом с изменением концентрации контролируемого газа меняется сопротивление оксидной полупроводниковой пленки 3. По измеряемому значению сопротивления пленки судят о количественном содержании контролируемого газа.

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 слой оксидной полупроводниковой пленки из диоксида олова толщиной 1 мкм, причем последние 0,2 мкм (поверхностный слой пленки) формировали с одновременным введением примесей в виде оксидов хрома - 1,5 мас. % , железа - 10,0м ас. % , никеля - 1,8 мас. % , титана - 0,7 мас. % , толщиной 0,2 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: чувствительный элемент содержит подложку, на которой расположена пленка оксидного полупроводника, содержащая примеси. Примеси расположены в поверхностном слое пленки, составляющем 5 - 35% ее толщины. 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 -16; оксидный полупроводник - остальное. На полупроводниковой пленке может быть расположен слой платины, составляющей 0,5 - 1,5% толщины пленки. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ГАЗОВОГО ДАТЧИКА, содержащий подложку с расположенной на ней пленкой на основе оксидного полупроводника с примесями оксидов металлов, отличающийся тем, что в качестве примесей использованы оксиды хрома, железа, никеля и титана, причем примеси расположены в поверхностном слое пленки, составляющем 5 - 35% ее толщины, 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 на полупроводниковой пленке расположен слой платины толщиной 0,5 - 1,5% толщины пленки.