Диэлектрический газовый сенсор Российский патент 2022 года по МПК G01N27/12 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к полупроводниковым датчикам химического состава газа. Технический результат: увеличение чувствительности, упрощение конструкции, увеличение срока службы. Сущность: сенсор представляет собой диэлектрическую подложку с взаимопроникающими гребенчатыми электродами, на которые наносится чувствительное покрытие, представляющее собой пленку из диэлектрического полимерного материала.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в измерительных устройствах для контроля окружающей среды, измерения концентраций и нахождения течей вредных и дорогостоящих газов, контроля герметичности изделий, содержащих вредные химические вещества и других устройств, применяемых в различных отраслях промышленности, в научных исследованиях.

Известен чувствительный элемент газового датчика, содержащий подложку с расположенной на ней пленкой на основе оксидного полупроводника с примесями оксидов металлов, отличающийся тем, что в качестве примесей использованы оксиды хрома, железа, никеля и титана, причем примеси расположены в поверхностном слое пленки, составляющем 5 - 35% ее толщины, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Оксид хрома 1,5-2,0

Оксид железа 8,0-16,0

Оксид никеля 1,0-2,0

Оксид титана 0,5-1,0 [Патент №2011985]

Известен чувствительный элемент газового датчика, содержащий последовательно расположенные на диэлектрической подложке слой основного оксидного полупроводника, слой дополнительного оксидного полупроводника, содержащего примеси оксидов металлов, и слой платины, отличающийся тем, что он дополнительно содержит слой платины, расположенный между основным и дополнительным слоями оксидных полупроводников, причем толщина дополнительного слоя платины составляет (0,03-0,11)⋅δ, толщина внешнего слоя платины составляет (0,07 - 0,15)⋅δ, толщина дополнительного слоя оксидного полупроводника составляет (0,1 - 0,71)⋅δ, где δ - толщина основного оксидного полупроводникового слоя, а в качестве примесей использованы оксиды хрома, железа, никеля и титана при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Оксид хрома 1,5-2,0

Оксид железа 8,0-16,0

Оксид никеля 1,0-2,0

Оксид титана 0,5-1,0 [Патент №2011984].

Известен способ изготовления газового сенсора хеморезистивного типа на основе вискеров сульфида титана, характеризующийся тем, что готовят смесь титановой фольги и порошка серы, в которой масса серы превышает массу титана в соотношении не менее 1:1,8 по массе, нагревают данную смесь в запаянной вакуумированной кварцевой ампуле и синтезируют вискеры TiS3, отличающийся тем, что синтезируют вискеры TiS3 с большим аспектным отношением геометрических размеров и наносят вискеры TiS3 на диэлектрическую подложку, оборудованную металлическими электродами, имеющими омический контакт с вискерами TiS3 [Патент №2684429].

К недостаткам этих изобретений относится общая сложность многослойной структуры и высокая стоимость применяемых материалов.

Известен способ изготовления чувствительного элемента газовых датчиков, включающий получение слоя двуокиси олова с примесью меди на изолирующей подложке и нанесение контактов к слою двуокиси олова, отличающийся тем, что, с целью повышения воспроизводимости характеристик чувствительного элемента, слой двуокиси олова получают путем вакуумного напыления сплава олова и меди, содержащего 0,05-2,0 ат. % меди, и последующего окисления полученной пленки [Патент №2006845].

Известен датчик гидридов азота и их производных в газовых средах, содержащий диэлектрическую подложку с нанесенными на нее металлическими электродами в виде двойной взаимопроникающей гребенки и слоем газочувствительного вещества, расположенного поверх электродов, отличающийся тем, что в качестве газочувствительного слоя используют металлокомплексы порфиринов, а в качестве электродов несколько взаимопроникающих гребенок, и тем, что толщина газочувствительного слоя составляет 0,5-30 мкм [Патент №2172487].

Известен газовый датчик, содержащий диэлектрическую подложку, на которой закреплено полупроводниковое основание с нанесенными на его поверхность металлическими электродами, предназначенный для обнаружения и количественного определения СО по изменению электропроводности пленки при адсорбции газа, отличающийся тем, что основание выполнено в виде поликристаллической пленки селенида кадмия [Патент №2178558].

Известен полупроводниковый газовый датчик, содержащий полупроводниковое основание с нанесенными на его поверхность металлическими электродами, служащий для обнаружения и количественного определения оксида углерода по изменению электропроводности полупроводниковой пленки при адсорбции СО, отличающийся тем, что основание выполнено в виде поликристаллической пленки сульфида кадмия [Патент №2178559].

К недостаткам этих датчиков относится невысокая чувствительность из-за применения полупроводниковых материалов.

Известен способ изготовления тонкопленочного датчика для определения концентрации метана в газовой среде, включающий нанесение газочувствительного слоя химически очищенного органического полупроводника на ситалловую подложку с растровыми электродами из антикоррозийного сплава, технохимическую активацию этого слоя и прогрев газочувствительного слоя, отличающийся тем, что на ситалловую подложку площадью 1 см2 наносят слой органического полупроводника фталоцианина магния, толщиной не более 15 нм, который затем подвергается легированию кислородом воздуха [Патент №2231052].

К недостаткам способа относится сложность изготовления из-за применения технохимической активации и легирования.

Известен способ изготовления датчика для анализа сероводорода в газовой среде, включающий напыление пленки фталоцианина меди (СuРс), отличающийся тем, что датчик выполнен на основе гетероперехода n-GaAs/p-CuPc путем напыления СuРс на монокристаллическую пластинку GaAs n-типа с последующим легированием пленки СuРс кислородом при низком вакууме для получения СuРс р-типа [Патент №2231053].

Известен газовый датчик, содержащий полупроводниковое основание и подложку, отличающийся тем, что полупроводниковое основание выполнено из поликристаллической нанопленки теллурида кадмия, легированного сульфидом кадмия, нанесенной на непроводящую подложку [Патент №2526225].

Известен датчик концентрации аммиака, включающий подложку, на которой расположены электроды и чувстительный слой на основе полианилина, содержащего легирующую добавку, отличающийся тем, что в качестве легирующей добавки использованы комплексы переходных металлов или комплексы конденсированных ароматических соединений [Патент №2038590].

К недостаткам изобретений относится сложность изготовления из-за применения технологии легирования, а также невысокая чувствительность из-за применения полупроводниковых материалов.

Известен полупроводниковый датчик для регистрации взрывоопасных газовых компонент в воздухе, представляющий собой монокристаллическую кремниевую подложку со слоем диоксида кремния и размещенным на ней термодатчиком в виде резистивного моста, отличающийся тем, что на слой диоксида кремния последовательно нанесены слой монокристаллического кремния с пористой поверхностью, второй слой диоксида кремния, термокаталитический слой и в двух несимметричных плечах резистивного моста нанесен изоляционный слой, защищающий каталитический слой от атмосферы [Патент №2231779].

Известен датчик газового анализа, включающий подложку, полупроводниковую пленку, имеющую возможность контакта с газовой атмосферой, на поверхности которой расположены первый и второй электроды, отличающийся тем, что на поверхности подложки расположен третий электрод с возможностью его подключения к внешней электрической цепи, на котором расположена сегнетоэлектрическая пленка, одной поверхностью контактирующая с третьим электродом, а второй - с полупроводниковой пленкой [Патент №2413210].

К недостаткам датчиков относится сложность общей многослойной структуры, а также невысокая чувствительность из-за применения полупроводниковых материалов.

Известен способ изготовления чувствительного элемента датчика газов, заключающийся в изготовлении нанокомпозита на основе диоксида олова SnO2 и многостенных углеродных нанотрубок путем синтеза на изолирующую подложку слоя диоксида олова с многостенными углеродными нанотрубками, отличающийся тем, что слой диоксида олова с многостенными углеродными нанотрубками изготавливают нанесением пленкообразующего водно-спиртового раствора хлорида олова SnCl2 с нанотрубками, после чего нанесенный на изолирующую подложку чувствительный элемент подвергают сушке в течение 10 минут при температуре 150°С с последующим стабилизирующим отжигом на воздухе в течение 30 минут при температуре не ниже 370°С [Патент №2528032].

К недостаткам способа относится сложность и высокая стоимость из-за использования углеродных нанотрубок.

В качестве прототипа, как наиболее близкого по своей технической сути к заявляемому изобретению, выбран газовый сенсор для обнаружения химически вредных веществ, описанный в патенте на изобретение №2174677 С1, МПК G01N 27/12, опубл. 2001 г.

В прототипе описан газовый сенсор для обнаружения химически вредных веществ, выполненный в виде диэлектрической подложки с нанесенными на нее металлическими взаимопроникающими гребенчатыми электродами, на которые нанесена пленка из проводящих полимеров, отличающийся тем, что в качестве чувствительного покрытия используют смесь из двух проводящих полимеров полистануманилина и полианилина в соотношении 10:3, синтезированную в режиме циклирования при потенциалах, изменяющихся в диапазоне от -0,8 до +2,5 В на рабочем электроде.

К недостаткам устройства относится то, что используется полимеры с полупроводниковым типом проводимости, что приводит к небольшой чувствительности сенсора вследствие малого интервала изменения проводимости. Кроме того, необходимость изготовления смеси полимеров при одновременном их синтезе усложняет технологию производства таких сенсоров.

Известны диэлектрические электроактивные полимерные материалы, которые при контактировании с атмосферой и при изменении состава этой атмосферы изменяют свое электрическое сопротивление при протекании электрического тока через них. В результате изменения потенциального барьера на границе диэлектрического электроактивного полимерного материала и металлического образца изменяются условия инжектирования носителей заряда, что приводит к изменению сопротивления. Из-за того что изначальное состояние такого материала является диэлектрическим (сопротивление порядка 100 МОм), а минимальное сопротивление может достигать уровня несколько Ом, чувствительность таких сенсоров достигает 1 МОм на 1% изменения концентрации измеряемого газа.

Задачей, решаемой изобретением, является создание такого способа, которое бы имело высокие потребительские свойства за счет преобразования изменения состава атмосферы в изменение электрического сопротивления.

Технический результат, достигаемый при использовании заявляемого изобретения, заключается в преобразовании изменения состава атмосферы в изменение электрического сопротивления за счет использования слоя, выполненного из диэлектрического электроактивного полимерного материала.

Поставленная задача решается тем, что в известном изобретении газового сенсора для обнаружения химически вредных веществ, выполненный в виде диэлектрической подложки с нанесенными на нее металлическими взаимопроникающими гребенчатыми электродами, на которые нанесена пленка из полимеров, отличающийся тем, что в качестве чувствительного покрытия используют диэлектрический электроактивный полимерный материал.

Приведенные выше отличительные признаки являются новыми по сравнению с прототипом, поэтому изобретение соответствует критерию «новизна».

Патентные исследования показали, что в изученном уровне техники отсутствуют аналогичные технические решения, т.е. заявляемое техническое решение не следует явным образом из изученного уровня техники, и, таким образом, соответствует критерию «изобретательский уровень».

Данное техническое решение может быть воспроизведено промышленным способом, следовательно, оно соответствует критерию «промышленная применимость».

Сущность заявляемого изобретения поясняется на фиг. 1 и заключается в следующем. На диэлектрической подложке 1 формируют слой металлических взаимопроникающих гребенчатых электродов 2, поверх которого формируют сплошной слой диэлектрического электроактивного полимерного материала 3; электрическое сопротивление электроактивного материала измеряется посредством приложения разности потенциалов между двумя гребенчатыми электродами 2.

Пример реализации заявляемого диэлектрического газового сенсора. Диэлектрическая подложка, например, стекло или кремний, очищается с помощью спиртового раствора (или других органических растворителей). Далее наносится слой металлических взаимопроникающих гребенчатых электродов, например, методом термодифузионного или магнетронного напыления, с помощью литографии или теневой маски. Толщина слоя находится в интервале от 3*10^-8 м до 5*10^-7 м. Зазор между электродами составляет от 10^-6 м до 50*10^-6 м. Затем методом центрифугирования при скорости вращения 3000 об/мин наносится сплошной слой диэлектрического электроактивного полимерного материала 3 из готового раствора полимера, например, из класса полиариленфталидов, полиметилметакрила, поливинилкарбозола, толщиной 5⋅10^-6 м. Затем слой 3 высушивается при температуре 150°С в течение 30 минут.

Далее прикладывается разность потенциалов между двумя гребенчатыми электродами 2 величиной 3 В. И измеряется величина электрического сопротивления диэлектрического электроактивного полимерного материала 3. При изменении химического состава атмосферы, контактирующей со слоем 3, происходит изменение условий инжектирования заряда в слой электроактивного материала. Из-за этого меняется его сопротивление.

Учитывая новизну, изобретательский уровень и промышленную применимость заявляемого технического решения, заявитель считает, что оно может быть защищено патентом на изобретение.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в измерительных устройствах для контроля окружающей среды, измерения концентраций и нахождения течей вредных и дорогостоящих газов, контроля герметичности изделий, содержащих вредные химические вещества, и других устройств, применяемых в различных отраслях промышленности, в научных исследованиях. Согласно изобретению газовый сенсор выполнен в виде диэлектрической подложки с нанесенными на нее металлическими взаимопроникающими гребенчатыми электродами, на поверхность которых нанесена пленка чувствительного покрытия, выполненного из диэлектрического электроактивного полимерного материала. Технический результат, достигаемый при использовании заявляемого изобретения, заключается в преобразовании изменения состава атмосферы в изменение электрического сопротивления за счет изменения условий инжектирования заряда в слой электроактивного материала. 1 ил.

Диэлектрический газовый сенсор, выполненный в виде диэлектрической подложки с нанесенными на нее металлическими взаимопроникающими гребенчатыми электродами, на которые нанесена пленка из полимеров, отличающийся тем, что в качестве чувствительного покрытия используют диэлектрический электроактивный полимерный материал.