ДАТЧИК СОСТАВА ГАЗА Российский патент 1997 года по МПК G01N27/12 

Изобретение относится к аналитическому приспособлению, в частности к монтажным конструкциям датчика состава газа, и может найти применение в области анализа газовой среды.

Известные монтажные конструкции полупроводниковых приборов (Griffiths G. W. J. Semisustom ICS, 1989, 7 N 1, p. 31-39, " A rekien of semiconductor packading and its role in electronis manufactiring"). В обзоре показана многовариантность выбора монтажных конструкций (корпусов), включая посадку кристаллов на клей или эвтектический припой, применение пластмассовых или керамических корпусов. Такие конструкции корпусов решают задачу герметизации, надежного закрепления кристалла в корпусе и максимального отвода тепла от кристалла.

Для датчиков состава газа такие корпуса не пригодны, т.к. в этом случае не нужна герметизация, а главное, должна решаться обратная задача - минимальный отвод тепла от кристалла, т.к. он должен работать в нагретом состоянии при минимальных затратах электроэнергии.

Эта задача успешно решается в работе U. Dibberu "A.Substrate for Thin-film Gas Seusors in Microelectrouic Technolody" Sensor and Actuators, B 2, 1990, pp. 63-70. Датчик содержит чувствительный элемент из SnO₂, нанесенный на мембрану SiO₂, выполненную на кремниевой подложке, которая приклеена к основанию корпуса ТО-5. Контактные площадки чувствительного элемента разварены с помощью алюминиевой проволоки на выводы корпуса. Наличие мембраны обеспечивает минимальный отвод тепла от кристалла к кремниевой подложке и, соответственно к корпусу. Недостатком такой конструкции является низкая механическая прочность мембраны (малый выход годных), а увеличение ее толщины сводит на нет эффект минимального отвода тепла.

Более надежным является датчик авт. св. N 1485116, кл. G 01 N 27/16 от 01.10.87), содержащий чувствительный элемент из спеченных порошковых материалов с электрическими выводами для нагрева и съема выходного сигнала и кварцевой нитью, диэлектрический держатель цилиндрической формы с штырями-выводами, к которым прикреплены электрические выводы чувствительного элемента и кварцевая нить так, что чувствительный элемент находится в подвешенном состоянии. Электрические выводы чувствительного элемента приварены к штырям-выводам диэлектрического держателя с прогибом с целью компенсации линейного расширения при нагреве чувствительного элемента и сохранения их механической связи при вибрации.

Такой датчик может работать в условиях вибрации с частотой 2000 Гц при ускорении 49 g. При ударных нагрузках 150 g и термоударных за счет тепла катализатора при температуре до 1000^oC.

Однако такая конструкция довольно сложна и трудоемка, не всегда есть возможность изготовить чувствительный элемент совместна с кварцевой нитью (например, для тонкопленочных чувствительных элементов, сформированных на кристалле.)
Кроме того, кварцевая нить должна быть жестко натянута между штырями-выводами, т. к. в случае провиса мы имеем колебательную систему, вступающую в резонанс с внешним воздействием в указанной области частот, что может привести к разрушению крепления. Исключение провиса нити не может быть полностью гарантировано, т. к. он зависит от профессионализма и индивидуальных особенностей конкретного исполнителя. Статические данные показывают, что брак по провису кварцевой нити может составлять до 50%
Техническим результатом изобретения является повышение механической прочности датчика состава газа при минимуме потребляемой электроэнергии.

Технический результат достигается за счет, того, что датчик состава газа, содержит корпус, основание которого выполнено из диэлектрического материала и содержит штырьковые выводы, чувствительный элемент, выполненный в виде кристалла и нагреватель, электроды которого соединены со штырьковыми выводами основания. Диэлектрическое основание имеет проточку конусообразной формы, в которой размещен кристалл таким образом, что два угла его опираются на проточку, а противоположная сторона поджата прижимом, расположенным в прорези трапециевидного сечения, направленной к центру проточки, причем прижим повторяет форму прорези и один его конец, контактирующий с кристаллом, выполнен скошенным, а на другом конце прижима и внешней стороне диэлектрического основания выполнена кольцевая канавка, в которой размещено пружинное разъемное кольцо.

На чертеже представлен датчик остава газа.

Основание 1 корпуса датчика выполнено в виде керамической шайбы и содержит штырьковые выводы 2, а также имеет проточку 3 конусообразной формы, в которую входят два угла кристалла чувствительного элемента 4. Противоположная сторона кристалла поджата прижимом 5 трапециевидного сечения. Один конец прижима 5 выполнен скошенным, а на другом конце прижима выполнена кольцевая канавка 7, такая же канавка выполнена на внешней стороне основания и в ней размещено пружинное разъемное кольцо 6. Связь между контактными площадками кристалла и штырьковыми выводами 2 осуществлена с помощью выводов 8.

Благодаря такой конструкции датчика состава газа кристалл чувствительного элемента надежно зажат прижимом во внутренней проточке основания, а так как он имеет минимальное касание с керамическим материалом основания и прижимом, то обеспечивается минимальный отвод тепла.

Кристалл чувствительного элемента выполнен из кремния и имеет на поверхности несколько тонкопленочных слоев, служащих в качестве нагревателя, межслойной изоляции и газочувствительного слоя. Размер кристалла 1,6 х 1,6 х 0,6 мм. Температура чувствительного слоя может поддерживаться в интервале от 50 до 450^oC. Нагреватель и газочувствительный слой электрически связаны со штырьковыми выводами, расположенными на стандартном (2,5 мм) расстоянии друг от друга. Кристалл зажат прижимом во внутренней проточке керамического основания, снабженными штырьковыми выводами диаметром 1 мм. Основание и прижим изготовляли из прессованной стеатитовой керамики C-1, а затем отжигали по стандартной технологии. Размер основания 7 мм, толщина 3 мм.

Сравнительные испытания показали, что после воздействия вибрации на частоте 2000 Гц в течение 100 ч все датчики были исправны, против 75% по прототипу.

Использование: для анализа состава газовой среды. Сущность изобретения: датчик состава газа содержит корпус, основание которого выполнено из диэлектрического материала и содержит штырьковые выводы, чувствительный элемент, выполненный в виде кристалла, и нагреватель, электроды которого соединены со штырьевыми выводами основания. Диэлектрическое основание имеет проточку конусообразной формы, в которой размещен кристалл таким образом, что два угла его опираются на проточку, а противоположная сторона поджата прижимом, расположенным в прорези трапециевидного сечения, направленной к центру проточки, причем прижим повторяет форму и один его конец, контактирующий с кристаллом, выполнен скошенным, а на другом конце прижима и внешней стороне диэлектрического основания выполнена кольцевая канавка, в которой размещено разъемное кольцо. 1 ил.

Датчик состава газа, содержащий корпус, основание которого выполнено из диэлектрического материала и содержит штырьковые выводы, чувствительный элемент, выполненный в виде кристалла, и нагреватель, электроды которого соединены со штырьковыми выводами основания, отличающийся тем, что диэлектрическое основание имеет проточку конусообразной формы, в которой размещен кристалл таким образом, что два угла его опираются на проточку, а противоположная сторона поджата прижимом, расположенным в прорези трапециевидного сечения, направленной к центру проточки, причем прижим повторяет форму прорези и один его конец, контактирующий с кристаллом, выполнен скошенным, а на другом конце прижима и внешней стороне диэлектрического основания выполнена кольцевая канавка, в которой размещено пружинное разъемное кольцо.