Полупроводниковый газочувствительный датчик Российский патент 2021 года по МПК G01N27/14 

Изобретение относится к анализу материалов, в частности к определению содержания водорода и водородсодержащих газов и может быть использовано при изготовлении газоанализаторов.

Известен термохимический датчик (патент РФ №2483297), содержащий измерительную схему из рабочего и сравнительного элемента, каждый из которых выполнен в виде резистора, изготовленного в виде нагревательной спирали, запеченной внутри пористого носителя, в рабочем элементе которого пористый носитель покрыт каталитически активным слоем, а в сравнительном элементе пористый носитель покрыт каталитически неактивным слоем, отличающийся тем, что в рабочем элементе между пористым носителем и каталитически активным слоем находится промежуточный слой состава BaO(CeO)_0,9(Nd₂O₃)_0,1, а в качестве материала каталитически активного слоя используется состав (La₂O₃)_0,6(SrO)_0,4MnO₂.

Недостатком данного решения является: сложность изготовления многослойной структуры; минимальная определяемая концентрация водородсодержащих газов до 0,5 об. %.

Известен полупроводниковый газовый сенсор (патент РФ №2509303), содержащий корпус реакционной камеры, с торца закрытый сеткой, в котором на контактных проводниках установлен шарообразный полупроводниковый газочувствительный элемент, внутри которого размещен нагреватель в виде цилиндрический пружины, внутри которой по ее оси и по диаметру шарообразного полупроводникового элемента расположен прямой измерительный проводник, согласно решения корпус реакционной камеры выполнен из коррозионно-стойкой стали, сетка выполнена из проволоки нержавеющей стали диаметром 0,03-0,04 мм шагом 0,06-0,08 мм, газочувствительный элемент расположен по центру реакционной камеры, нагреватель и измерительный проводник газочувствительного элемента выполнены из платиновой проволоки диаметром 0,01-0,02 мм, нагреватель имеет 2-7 витка проволоки, шарообразный полупроводниковый газочувствительный элемент имеет диаметр 0,4-0,8 мм и выполнен из смеси оксида олова SnO₂: 5-95 мас. % и оксида индия In₂O₃: 5-95 мас. %.

Недостатком данного решения являются: низкая чувствительность для определения малой концентрации водородсодержащих газов.

Технической задачей заявляемого решения является повышение чувствительности определения концентрации водородсодержащих газов.

Техническим результатом заявляемого решения является повышение чувствительности определения водородсодержащих газов в 4-10 раз при расширении диапазона измерения концентраций водородсодержащих газов до 0,0001 об. % и упрощении конструкции датчика.

Указанный технический результат достигается тем, что предложен полупроводниковый газочувствительный датчик содержащий: подложку с расположенной с одной стороны газочувствительной пленкой, измерительные электроды, размещенные на газочувствительной пленке, нагреватель, расположенный на противоположной стороне подложки, при этом газочувствительная пленка выполнена из материала (In₂O₃)_0,45(Ga₂O₃)_0,45(InGaO₃)_0,1.

Возможность достижения технического результата обеспечивается тем, что проводимость основого материала газочувствительного слоя (In₂O₃) зависит от равновесной концентрации адсорбированного на его поверхности кислорода, а на поверхности рассредоточенных в его объеме кристаллитов InGaO₃ высока скорость протекания реакций окисления горючих газов, в результате которых уменьшается концентрация поверхностного кислорода и увеличивается проводимость основного материала (In₂O₃). Взаимодействие между двумя фазами газочувствительной пленки происходит за счет миграции ионов кислорода с поверхности основного материала на поверхность каталитически-активного материала. При этом кристаллиты Ga₂O₃, распределенные по объему газувствительной пленки, служат для уменьшения количества путей электронного транспорта, что приводит к уменьшению базовой проводимости пленки и увеличению чувствительности датчика на ее основе.

На фиг. 1. представлен общий вид конструкции полупроводникового газочувствительного датчика. Полупроводниковый газочувствительный датчик содержит подложку - 1 с расположенной с одной стороны газочувствительной пленкой - 2, контактные электроды, размещенные на газочувствительной пленке, - 3, нагреватель, расположенный на второй стороне подложки, - 4, термопару - 5.

Датчик работает следующим образом: на нихромовый нагреватель, подается рабочее напряжение. Температура газочувствительной пленки достигает рабочей Т_р (500-600°С). При наличии в окружающей среде детектируемого газа сначала происходит адсорбция его молекул на кристаллитах InGaO₃, находящихся в газочувствительной пленке. Благодаря каталитическим свойствам поверхности InGaO₃ происходит их разложение на ионы, включая катионы, часть которых мигрирует по поверхности кристаллитов, в том числе переходит на поверхность кристаллитов In₂O₃. Далее катионы взаимодействует с адсорбированным там же кислородом, и происходит реакция их окисления. Это приводит к уменьшению концентрации поверхностного кислорода, в результате чего увеличивается проводимость кристаллитов In₂O₃, что определяется как возросшая проводимость газочувствительного датчика.

В таблице 1. представлены зависимости выходного сигнала полупроводникового газочувствительного датчика от концентрации этанола (С₂Н₅ОН), ацетона (C₃H₆O), аммиака (NH₃), пропана (С₃Н₈) в диапазоне от 0 до 40 об. %.

Таким образом, решается техническая задача повышения чувствительности определения концентрации водородсодержащих газов.

Изобретение относится к анализу материалов, в частности для определения содержания водорода и водородсодержащих газов и может быть использовано при изготовлении газоанализаторов. Техническим результатом заявляемого решения является повышение чувствительности определения водородсодержащих газов в 4÷10 раз при расширении диапазона измерения концентраций водородсодержащих газов до 0,0001 об.% и упрощении конструкции датчика. Указанный технический результат достигается тем, что предложен полупроводниковый газочувствительный датчик, содержащий: подложку с расположенной с одной стороны газочувствительной пленкой, измерительные электроды, размещенные на газочувствительной пленке, нагреватель, расположенный на противоположной стороне подложки, при этом газочувствительная пленка выполнена из материала (In₂O₃)_0,45(Ga₂O₃)_0,45 (InGaO₃)_0,1. 1 ил., 1 табл.

Полупроводниковый газочувствительный датчик, содержащий подложку с расположенной с одной стороны газочувствительной пленкой, измерительные электроды, размещенные на газочувствительной пленке, нагреватель, расположенный на второй стороне подложки, при этом газочувствительная пленка выполнена из материала (In₂O₃)_0,45(Ga₂O₃)_0,45 (InGaO₃)_0,1.