ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ГАЗОВОГО ДАТЧИКА Российский патент 1996 года по МПК G01N21/45 G01N21/17 

Изобретение относится к датчикам, предназначенным для детектирования и определения концентрации компонентов газовой смеси.

Большинство датчиков этого класса содержит чувствительный элемент с химическим реагентом, способным взаимодействовать с детектируемым веществом, в результате его изменяются его характеристики.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство, принцип действия которого основан на измерении поглощения света при прохождении через чувствительный элемент, представляющий из себя фотополимер с химическим реагентом, причем величина поглощения зависит от концентрации газа в окружающей среде.

Недостатками этого датчика являются необходимость предварительной обработки (облучения) полимера, а также влияние флуктуаций интенсивности сигнала источника и приемника света на точность измерения.

Целью изобретения является повышение надежности измерений концентрации компонентов газовой смеси.

Цель достигается тем, что в качестве чувствительного элемента датчика предложено использовать кремниевые колебательные структуры с нанесенным полимерным покрытием, способным взаимодействовать с детектируемым газом.

Резонансные частоты кремниевых колебательных структур зависят как от внешних условий, так и от конфигурации самих резонаторов. Так, изменение массы резонатора (например, мембраны, мостика или структуры другого вида) приводит к изменению резонансной частоты, то есть может детектироваться. Именно на основе этого эффекта может быть создан датчик на некоторые вещества, содержащиеся в газовых смесях (например, С₂Сl₄, С₂Н₅ОН, С₆Н₁₄, С₇Н₈, С₅Н₅Ме и др.) и адсорбируемые в пленку реагента, нанесенную на поверхность колебательной структуры.

Таким образом, чувствительным элементом датчика является кремниевый микрорезонатор, полученный, например, методом анизотропного химического травления в виде мостика с закрепленными концами и размерами 1000х20х2 мкм³. Известно, что у структур такого размера и вида поперечные колебания с характерными частотами порядка десятков и сотен килогерц легко возбуждаются с помощью лазерного излучения мощностью всего 0,01-1 мВт, модулированного с определенной частотой, а в случае совпадения возбуждающей частоты с одной из резонансных частот амплитуда соответствующей моды колебаний резко возрастает.

Точность измерения изменения массы резонатора определяется шириной резонансного пика и, соответственно, добротностью Q колебаний. Добротность определяется величиной затухания колебаний, зависящей от многих факторов, в том числе от условий внешней среды и технологии изготовления. Однако высокие механические качеств кремния как материала для такого типа структур обуславливают высокие получаемые значения добротности (1000-10000).

Минимальный детектируемый прирост массы дается формулой m-m¹ 2m/Q, (где m масса резонатора, m¹ масса резонатора с детектируемым адсорбированным газом), поэтому миниатюрные размеры резонатора и высокие добротности позволяют создавать чувствительные и надежные датчики на различные газы.

П р и м е р. С помощью пленки диметилполисилоксана толщиной около 100 нм, нанесенной на поверхность кремниевого микрорезонатора, выполненного в виде мостика с размерами 1000х20х2 мкм, можно измерять концентрацию С₂Cl₄ в окружающей среде с минимально детектируемой величиной порядка 10 ррm.

Использование: в газовых датчиках при детектировании и определении концентрации компонентов газовой смеси. Сущность изобретения: чувствительный элемент газового датчика содержит основание с нанесенным на него полимерным покрытием, адсорбирующим газ. В качестве основания использован кремниевый микрорезонатор.

Чувствительный элемент газового датчика, содержащий основание с нанесенным на него полимерным покрытием, адсорбирующим газ, отличающийся тем, что в качестве основания использован кремниевый микрорезонатор.