ДАТЧИК ДИОКСИДА АЗОТА Российский патент 2017 года по МПК G01N27/12 

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам, применяемым для регистрации и измерения содержания микропримесей диоксида азота (NO₂). Изобретение может быть использовано для решения задач экологического контроля.

Известен датчик (детектор) по теплопроводности, действие которого основано на различии между теплопроводностью паров вещества и газа-носителя (Вяхирев Д.А., Шушукова А.Ф. Руководство по газовой хроматографии. М.: Высш. школа, 1987. - 287 с.). Однако чувствительность такого датчика (детектора) ограничивается на вещества с теплопроводностью, близкой к теплопроводности газа-носителя. Например, при использовании этого датчика для анализа диоксида азота точность определения невелика.

Известен также датчик (сенсор) диоксида азота, состоящий из подложки, выполненной из поликристаллического Al₂O₃, чувствительного слоя в виде тонкой пленки из нанокристаллического диоксида олова, в который дополнительно введены наночастицы оксида никеля и золота, и платиновых электродов (патент RU №2464554, М.кл. G01N 27/12. Газовый сенсор для индикации диоксида азота / A.M. Гаськов, М.Н. Румянцева, 2012), позволяющий определять содержание диоксида азота с большей чувствительностью, но имеющий ряд недостатков.

Недостатками известного устройства являются низкая селективность по отношению к NO₂ (проявляет чувствительность и к CO), сложность конструкции, относительно высокая (по сравнению с комнатной) рабочая температура (125-200°С), использование драгоценных металлов (Au, Pt), длительность и трудоемкость (сложность) его изготовления: формирование пленки чувствительного элемента происходит в несколько стадий, включая получение геля оловянной кислоты, промывку и сушку, модификацию поверхности диоксида олова золотом и оксидом никеля, сушку и последующую прокалку в температурном режиме: 80°С - 24 ч, 120°С - 10 ч, 160°С - 10 ч, 200°С - 10 ч, 300°С - 10 ч и 350°С - 24 ч, нанесение платиновых электродов. Осуществление такого способа изготовления газового сенсора, отличающегося многостадийностью технологических операций, сопряжено с большими временными затратами.

Ближайшим техническим решением к изобретению является газовый датчик, состоящий из полупроводникового основания, выполненного из поликристаллической пленки антимонида индия, легированного сульфидом кадмия, и подложки, которой служит электродная площадка пьезокварцевого резонатора (патент RU №2437087, М.кл. G01N 27/12, опубл. 2011).

Недостатком такого устройства является его недостаточная чувствительность при контроле микропримесей диоксида азота. Кроме того, конструкция устройства предусматривает в процессе изготовления разработки специальной технологии, режима, программы температурного контроля и сам процесс легирования антимонида индия.

Технический результат изобретения - создание датчика, характеризующегося повышенной чувствительностью, технологичностью его изготовления.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном газовом датчике, содержащем полупроводниковое основание, нанесенное на электродную площадку пьезокварцевого резонатора, согласно изобретению, полупроводниковое основание выполнено в виде поликристаллической пленки антимонида индия. Подложкой служит электродная площадка пьезокварцевого резонатора.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлены: на фиг. 1 - конструкция заявляемого датчика, на фиг. 2 - кривая зависимости величины адсорбции диоксида углерода от температуры, на фиг. 3 - градуировочная кривая зависимости изменения электропроводности (Δσ) полупроводниковой пленки в процессе адсорбции при комнатной температуре от начального давления NO₂ (P_NO2). Последняя наглядно демонстрирует его чувствительность.

Датчик состоит из полупроводникового основания 1, выполненного в виде поликристаллической пленки антимонида индия, нанесенной на электродную площадку 2 пьезокварцевого резонатора 3 (фиг. 1).

Принцип работы такого датчика основан на адсорбционно-десорбционных процессах, протекающих на полупроводниковой пленке, нанесенной на электродную площадку пьезокварцевого резонатора, и вызывающих изменение ее электропроводности.

Работа датчика осуществляется следующим образом. Датчик помещают в находящуюся при комнатной температуре камеру (ею может быть обычная стеклянная трубка), через которую пропускают анализируемый газ на содержание NO₂. При контакте пропускаемого газа с поверхностью полупроводниковой пленки InSb происходит избирательная адсорбция молекул NO₂ и изменение электропроводности. По величине изменения электропроводности с помощью градуировочных кривых можно определить содержание NO₂ в исследуемой среде.

Из анализа приведенной на фиг. 3 типичной градуировочной кривой, полученной с помощью заявляемого датчика и выражающей зависимость изменения электропроводности (Δσ) от давления диоксида азота (P_NO2), следует: заявляемый датчик при существенном упрощении технологии его изготовления позволяет определять содержание диоксида азота, с чувствительностью, в несколько раз превышающей чувствительность известных датчиков.

Малые габариты устройства (рабочий объем менее 0,3 см³) в сочетании с малой массой пленки-адсорбента позволяют снизить постоянную датчика по времени до 10-20 мс. Кроме того, исключаются разработки специальной технологии, режима, программы температурного контроля и сам процесс легирования антимонида индия, что повышает технологичность изготовления датчика.

Конструкция заявляемого датчика позволяет также улучшить и другие его характеристики: быстродействие, регенерируемость, способность работать не только в статическом, но и динамическом режиме.

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам, применяемым для регистрации и измерения содержания микропримесей диоксида азота. Изобретение может быть использовано в экологии. Датчик содержит полупроводниковое основание (1), выполненное в виде поликристаллической пленки антимонида индия. Поликристаллическая пленка InSb нанесена на электродную площадку (2) пьезокварцевого резонатора (3). Датчик согласно изобретению обеспечивает при существенном упрощении технологии его изготовления определение содержания диоксида азота с чувствительностью, в несколько раз превышающей чувствительность известных датчиков. 3 ил.

Датчик диоксида азота, содержащий полупроводниковое основание и подложку, которой служит электродная площадка пьезокварцевого резонатора, отличающийся тем, что полупроводниковое основание выполнено из поликристаллической пленки антимонида индия.