ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРЦИАЛЬНЫХ ДАВЛЕНИЙ ПАРОВ ВОДЫ В ПРОИЗВОЛЬНО ВЫБРАННОЙ ГАЗОВОЙ СМЕСИ Российский патент 2017 года по МПК G01N27/02 

1. Название изобретения

Изобретение «ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРЦИАЛЬНЫХ ДАВЛЕНИЙ ПАРОВ ВОДЫ В ПРОИЗВОЛЬНО ВЫБРАННОЙ ГАЗОВОЙ СМЕСИ» представляет собой устройство, последовательно входящее в замкнутую цепь, состоящую из источника постоянного напряжения с малым входным сопротивлением и прецизионного измерителя тока. Ток в цепи взаимно однозначно соответствует проводимости второго рода твердого пластифицированного электролита в электрохимической ячейке датчика, изменяющейся пропорционально парциальному давлению паров воды в газовой смеси, отличительной особенностью является элементный состав, со своей взаимосвязью элементов, который состоит из двух хлорсеребряных электродов и контактных площадок для проводников внешней цепи, сформированных методами планарной технологии на поверхности диэлектрика, например, такого как поликор или сеталл, причем область двух электродов в датчике покрыта сплошным однородным и непрерывным слоем пластифицированного твердого электролита, и способ, получение градуированных кривых вида P_H2O(Па, парциальное давление)=I(А, ток во внешней цепи), подразумевает достижение обратимой электродной реакции: , в электрохимической ячейке на паре хлорсеребряных электродов, в твердом пластифицированном электролите в зависимости от содержания паров воды в анализируемой газовой среде, общего давления и температуры.

2. Область техники

Датчик прецизионного определения парциального давления паров воды может быть использован для определения концентрации паров воды в дыхательном контуре анестезиологического комплекса, сторонних компонентов газовой смеси (например, паров дыма, токсичных компонентов и т.д.), в проточной системе имеет значение как точное определение концентрации любого стороннего компонента газовой смеси, т.е. может быть использован в химическом анализаторе газовых сред.

Отсутствие жидких субстанций в конструктивном исполнении датчика делает его безопасным и более пригодным для использования в особых условиях, например подводные и космические аппараты, подземные сооружения, анестезиологические комплексы.

3. Уровень техники

Изобретение, твердотельный электрохимический датчик определения парциальных давлений паров воды в произвольно выбранной газовой смеси, имеет аналог SU 940044, опубл. 01.07.1982. Устройство содержит сетчатые платиновые электроды, полипропиленовый сепаратор, пропитанный гигроскопичным раствором Р₂О₅, и полупроницаемую мембрану между электродами и воздушной средой, газодиффузионные мембраны имеют пористую структуру со средним радиусом пор 10-10³ Å, а ток во внешней цепи пропорционален парциальному давлению паров воды. В связи с особенностями строения полупроницаемых мембран, в рассматриваемом аналоге, по-видимому, каждый датчик обладает собственными индивидуальными характеристиками, что не характерно для предлагаемого изобретения, так как в этом случае процесс производства подразумевает единовременное воспроизводимое получение множества датчиков методом планарной технологии в одном процессе, последнее существенно отличается от процессов индивидуальной сборки.

Кроме того, в отличии от прототипа, в рассматриваемом изобретении электрохимический процесс обусловлен обратимой электродной реакцией , в которой отвод продуктов реакции не требуется.

Отличительной особенностью прототипа является также содержание в элементном составе жидкой субстанции, характеризующейся высокой токсичностью, что делает неприемлемым использование датчика в целом ряде применений, связанных с жизнедеятельностью человека, таких как аппараты ИВЛ, анестезиологическое пособие, летательные и подводные аппараты и т.д.

Предлагаемое в рассматриваемой заявке устройство, наряду с характеристиками высокой точности определения парциальных давлений паров воды, ток во внешней цепи датчика может изменяться на 2-3 порядка для различных диапазонов парциальных давлений, может быть произведено миниатюрным, так как в процессе производства используется планарная технология.

4. Раскрытие изобретения

Устройство представляет собой один из элементов планарной структуры, изготавливаемый на пластине диэлектрика, такого как ситалл или поликор, на который методом вакуумного напыления наносится слой серебра толщиной от 2 мкм до 10 мкм, в этом слое методом фотолитографии формируются электроды отдельных элементов и контактные площадки для проводников внешней цепи, на одной пластине может располагаться до 1000 элементов, произвольной топологической конфигурации, но расстояние по нормали между любыми ближайшими краями электродов находится в интервале от 50 мкм до 10 мм и является постоянной величиной. После придания сформированным электродам свойств хлорсеребряных электродов, структура покрывается однородным, сплошным и непрерывным слоем жидкого электролита, методом центрифугирования или окунания, и последующей температурной обработкой на поверхности электродной структуры формируется слой твердого пластифицированного электролита толщиной от 1 мкм до 100 мкм. Способ представляет собой получение градуированных кривых вида P_H2O(Па, парциальное давление)=I(А, ток во внешней цепи), при токе во внешней цепи, создаваемым источником постоянного напряжения, при разности потенциалов между электродами, находящейся в интервале от 0,2 В до 1,5 В, с целью достижения обратимой электродной реакции: , в электрохимической ячейке на паре хлорсеребряных электродов, в твердом пластифицированном электролите в зависимости от содержания паров воды в анализируемой газовой среде, общего давления и температуры, с целью достижения взаимно однозначного соответствия между проводимостью второго рода в твердом пластифицированном электролите, сформированном на планарной электродной структуре, и парциальным давлением паров воды в газовой среде, контактирующей с твердым электролитом. Твердый пластифицированный электролит изготавливается на основе водорастворимого полимера, например поливинилового спирта, причем отличительной особенностью электролита является то, что он содержит LiCl и KCl, в зависимости от эксплуатационных характеристик датчика, содержание LiCl находится в интервале от 5 вес. % до 15 вес. % водного раствора полимера, содержание KCl находится в интервале от 0 вес. % до 7 вес. % водного раствора полимера, в зависимости от выбранного полимера и его молекулярного веса, абсолютная вязкость водного раствора полимера, при T=20°C, должна находится в интервале от 20 Па⋅с до 70 Па⋅с, температура обработки слоя водного раствора полимера, нанесенного на поверхность электродов, находится в интервале 50°C-90°C, отличительной особенностью электродов является то, что заданные свойства хлорсеребряных электродов достигаются электрохимической обработкой пленарных серебряных элементов, кроме контактных площадок, защищенных фоторезистом методом фотолитографии и сформированных как элементы планарной структуры на ситалловой или поликоровой пластине, в 3%-ном водном растворе HCl с добавлением от 1% вес. до 4 вес. % KCl, для формирования прерывистого локально неоднородного слоя AgCl на слое Ag, полученные хлорсеребряные электроды обладают электронной проводимостью, с поверхностным сопротивлением, лежащим в интервале от 1 Ом/□ до 100 Ом/□.

5. Осуществление изобретения

Очищенную пластину ситалла или поликора помещают в установку вакуумного напыления и наносят слой серебра толщиной от 2 мкм до 10 мкм, затем методом фотолитографии формируют серебряные электроды заданной топологической конфигурации, причем расстояние по нормали между любыми ближайшими краями электродов находится в интервале от 50 мкм до 10 мм и является постоянной величиной; затем методом фотолитографии закрывают контактные площадки фоторезистом; затем проводят электрохимическую обработку непокрытых фоторезистом областей серебряных электродов в 3-ном водном растворе HCL с добавлением от 1 вес. % до 4 вес. % водного раствора KCL, для формирования неоднородного слоя AgCl, для достижения поверхностного сопротивления электрическому току, находящемуся в интервале от 1 Ом/□ до 100 Ом/□, затем удаляется фоторезист; затем готовится водный солевой раствор поливинилового спирта, для этого готовится водный раствор 10 вес. % LiCL и 5 вес. % KCL, в который добавляется порошок поливинилового спирта при Т=90°C до достижения значения абсолютной вязкости раствора, находящегося в интервале от 20Па⋅с до 70 Па⋅с, при Т=20°C; затем солевой раствор полимера наносится на поликоровую пластину, со сформированными электродами, методом центрифугирования, затем обрабатывают полученную планарную структуру при температуре, находящейся в интервале от 80°C до 100°C, в течение периода, находящегося в интервале от 30 мин до 90 мин, причем толщина пластифицированного твердого электролита должна находиться в интервале от 1 мкм до 100 мкм; затем методом фотолитографии формируют заданную топологию, удаляя лишний полимер, затем методом скрайбирования разделяют элементы, и контактной сваркой приваривают выводы к контактным площадкам; затем для элемента из партии достигается построение градуированной кривой вида P_H2O(Па, парциальное давление)=I(А, ток во внешней цепи), причем ток во внешней цепи создается источником постоянного напряжения, а разность потенциалов между электродами задается в интервале от 0,2 В до 1,5 В, с целью достижения обратимой электродной реакции , в электрохимической ячейке на паре хлорсеребряных электродов, в твердом пластифицированном электролите в зависимости от содержания паров воды в анализируемой газовой среде, общего давления и температуры.

Важно отметить, что устройство может входить в снаряжение рабочего и служащего химического предприятия, может применяться в составе оборудования, используемого в рамках гражданской обороны, т.е. может быть использовано в химическом анализаторе газовых сред, в том числе для предотвращения поражения и заражения отравляющими веществами, устройство может применяться в составе анестезиологического пособия для точного определения парциального давления паров воды в анестезиологическом контуре.

Изобретение относится к измерительной технике. Твердотельный электрохимический датчик определения парциальных давлений паров воды в произвольно выбранной газовой смеси согласно изобретению представляет собой один из элементов планарной структуры, изготавливаемой на пластине диэлектрика, такого как ситалл или поликор, содержит хлорсеребряные электроды, представляющие собой серебряные электроды произвольной топологической конфигурации, с неоднородным слоем из AgCl, сформированным электрохимическим методом на их поверхности, и контактные площадки для проводников внешней цепи, свободные от AgCl, и пластифицированный твердый электролит на поверхности электродов. Изобретение обеспечивает формирование датчиков, в которых отсутствуют жидкие субстанции в конструктивном исполнении датчиков, что делает их безопасными, точными, с высокой воспроизводимостью и повторяемостью измерений, а также малогабаритными. 2 н. и 5 з.п. ф-лы.

1. Твердотельный электрохимический датчик определения парциальных давлений паров воды в произвольно выбранной газовой смеси, представляющий собой один из элементов планарной структуры, изготавливаемой на пластине диэлектрика, такого как ситалл или поликор, содержащий хлорсеребряные электроды, представляющие собой серебряные электроды произвольной топологической конфигурации, с неоднородным слоем из AgCl, сформированным электрохимическим методом на их поверхности, и контактные площадки для проводников внешней цепи, свободные от AgCl, содержащий пластифицированный твердый электролит на поверхности электродов.

2. Твердотельный электрохимический датчик по п. 1, отличающийся тем, что содержит электроды из серебра толщиной от 2 мкм до 10 мкм.

3. Твердотельный электрохимический датчик по п. 1, отличающийся тем, что расстояние по нормали между любыми ближайшими краями электродов находится в интервале от 50 мкм до 10 мм и является постоянной величиной.

4. Твердотельный электрохимический датчик по п. 1, отличающийся тем, что содержит на поверхности электродной структуры слой твердого пластифицированного электролита толщиной от 1 мкм до 100 мкм.

5. Способ определения парциальных давлений паров воды в произвольно выбранной газовой смеси, заключающийся в том, что достигается построение градуированных кривых вида P_H2O(Па, парциальное давление)=I(А, ток во внешней цепи), при токе во внешней цепи, создаваемом источником постоянного напряжения при разности потенциалов на электродных контактных площадках, сформированных как элементы планарной структуры методом фотолитографии, задаваемой в интервале от 0,2 В до 1,5 В, с целью достижения обратимой электродной реакции: , в электрохимической ячейке на паре хлорсеребряных электродов, представляющих собой серебряные электроды, покрытые неоднородным слоем AgCl, в твердом пластифицированном электролите в зависимости от содержания паров воды в анализируемой газовой среде, общего давления и температуры, с целью достижения взаимно однозначного соответствия между проводимостью второго рода в твердом пластифицированном электролите, сформированном на планарной электродной структуре, и парциальным давлением паров воды в газовой среде, контактирующей с твердым электролитом.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что твердый пластифицированный электролит изготавливается на основе водорастворимого полимера, например поливинилового спирта, причем отличительной особенностью электролита является то, что он содержит LiCl и KCl, содержание LiCl находится в интервале от 5 вес. % до 15 вес. % водного раствора полимера, содержание KCl находится в интервале от 0 вес. % до 7 вес. % водного раствора полимера, абсолютная вязкость водного раствора полимера, при T=20°C, должна находиться в интервале от 20 Па⋅с до 70 Па⋅с, температура обработки слоя водного раствора полимера, нанесенного на поверхность электродов, находится в интервале 50°C-90°C.

7. Способ по п. 5, отличающийся тем, что заданные свойства хлорсеребряных электродов достигаются электрохимической обработкой поверхности серебряных электродов, кроме контактных площадок, защищенных фоторезистом и сформированных как элементы планарной структуры на ситалловой или поликоровой пластине, в 3%-ном водном растворе HCl с добавлением от 1 вес. % до 4 вес. % водного раствора KCl, для формирования неоднородного слоя AgCl на серебряном электроде, для достижения значений поверхностного сопротивления электрическому току, находящихся в интервале от 1 Ом/□ до 100 Ом/□.