ДАТЧИК КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗОВ Российский патент 1994 года по МПК G01N27/02 

Изобретение относится к исследованиям или анализу материалов с помощью измерения электрических характеристик, в частности к датчикам концентрации газов.

Наиболее широко используется конструкция, разработанная японской фирмой Figaro Inc. [1] . Датчик представляет собой керамическую трубку диаметром около 1 мм и длиной около 3 мм, внутрь которой введен проволочный платиновый нагреватель, нагревающий трубочку до рабочей температуры (100-400^оС для различных газов). На поверхности трубки сформированы электроды с платиновыми токоподводами. Между электродами нанесен чувствительный слой полупроводникового оксида олова, легированного каталитическими добавками, улучшающими чувствительность и селективность оксида.

Трубочка с нанесенным чувствительным слоем приваривается к ножкам пластмассового корпуса и подвешивается под защитным колпачком.

Недостатком этой конструкции является ее малая прочность, связанная с тем, что массивная керамическая трубочка подвешивается на тонких платиновых проводниках. Кроме того, сборка датчиков требует специальной оснастки и сложна в условиях традиционного микроэлектронного производства.

Известен тонкопленочный датчик [2], выбранный в качестве прототипа, чувствительный элемент которого представляет собой сапфировую подложку толщиной 0,2 мм и размером 2х0,5 мм², на одной стороне которой сформирован тонкопленочный платиновый нагреватель (толщина около 0,2 мкм) , на другой стороне - чувствительный слой полупроводникового оксида, нанесенный магнетронным распылением.

За счет уменьшения массы чувствительного элемента конструкция оказывается более прочной и потребляет меньшую мощность (она может быть уменьшена до 150-200 мВт). Однако прочность этих датчиков недостаточна (случайное падение на пол с высоты 1,5 м выводит из строя примерно 80% датчиков). Кроме того, у этой конструкции сохраняются недостатки, связанные со сложностью монтажа чувствительного элемента, подвешенного на монтажных выводах.

Целью изобретения является увеличение прочности конструкции, снижение мощности и сохранение газочувствительных характеристик.

Это достигается тем, что датчик концентрации газов включает корпус, чувствительный элемент, нагреватель и токоподводы, причем чувствительный элемент, нагреватель и токоподводы жестко установлены между двумя таблетками из материала на основе супертонкого кварцевого волокна с низкой теплопроводностью и открытыми порами.

В таблетке со стороны чувствительного элемента выполнено глухое или сквозное отверстие.

Материал таблетки пропитан катализатором - поглотителем примесных по отношению к измеряемому газов.

На чертеже представлено устройство датчика концентрации газов, содержащее чувствительный элемент 1, нагреватель 2, нижнюю таблетку 3 из кварцевого теплозащитного материала ТЗМК, верхнюю таблетку 4 из того же материала, внешние электрические выводы 5, глухое или сквозное отверстие 6, облегчающее доступ анализируемого газа, защитную сетку 7, выполняющую также роль пламепреградителя, защитный колпачок 8, стеклянную ножку 9 пальчиковой лампы.

Датчик изготавливается следующим образом.

На стеклянной ножке 9 монтируется нижняя таблетка из пористого материала 3, затем на ее поверхность приклеивается или запрессовывается чувствительный элемент 1 и нагреватель 2, после этого привариваются выводы к датчику, нагревателю и внешним выводам 5. Затем вся конструкция закрывается верхней таблеткой 4 с отверстием 6, сеткой 7 и защитным колпачком 8.

Защитный колпачок завальцовывается в прессе вокруг стеклянной ножки 9.

Чувствительный элемент плотно зажат или вклеен внутри блока, выполненного из теплоизоляционного материала, поэтому в случае ударов и вибрации тонкие провода токоподводов не деформируются и не рвутся.

Монтаж датчика осуществляется в обычных для микроэлектроники условиях: чувствительный элемент в процессе монтажа закреплен на плоской поверхности теплоизолирующей таблетки.

Мощность, потребляемая датчиком при той же рабочей температуре (400^оС), снижается более чем на 30% по сравнению с прототипом.

Кроме указанных преимуществ, конструкция служит для защиты датчика от пыли и вредных примесей. В случае пропитки пористого материала катализатором, например платиной, палладием, солями железа, датчик может быть защищен от действия горючих газов и, таким образом, повышается его селективность.

При применении описанной конструкции могут быть в случае необходимости технологически разделены процессы изготовления нагревателя и чувствительного слоя. Полученные раздельно нагреватель и чувствительный слой затем соединяются на этапе сборки в теплоизолирующем корпусе. Это позволяет изготавливать оба элемента в оптимальных условиях.

Описанная конструкция может быть использована не только для полупроводниковых датчиков, но и для газовых сенсоров, работающих при высоких температурах и основанных на других физических принципах, например при изготовлении электрохимических сенсоров на основе керамики.

Использование: аналитическое приборостроение. Сущность изобретения: датчик содержит корпус, чувствительный элемент, нагреватель и токопроводы. Эти элементы жестко установлены между двумя таблетками из материала на основе супертонкого кварцевого волокна с жидкой теплопроводностью и открытыми порами. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. ДАТЧИК КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗОВ, включающий корпус, чувствительный элемент, нагреватель и токоподводы, отличающийся тем, что, с целью увеличения прочности конструкции, снижения мощности и сохранения газочувствительных характеристик, чувствительный элемент, нагреватель и токоподводы жестко установлены между двумя таблетками из материала на основе супертонкого кварцевого волокна с низкой теплопроводностью и открытыми порами. 2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что в таблетке со стороны чувствительного элемента выполнено глухое или сквозное отверстие. 3. Датчик по п.1 и 2, отличающийся тем, что материал таблетки пропитан катализатором-поглотителем примесных по отношению к измеряемому газов.