Тонкопленочный органический датчик монооксида углерода Российский патент 2023 года по МПК G01N27/12 

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам для регистрации и измерения содержания монооксида углерода (угарного газа) в воздухе. Изобретение может быть использовано в промышленности для контроля воздушной среды в помещениях.

Известен чувствительный элемент из твердого оксидного электролита с нанесенными на его поверхность поляризуемым и неполяризуемым электродами. Электролит выполнен в виде пластинки. Неполяризуемый электрод сравнения нанесен на поверхность электролита в виде пасты из окиси серебра, а поляризуемый рабочий электрод нанесен в виде мелкодисперсного порошка платины или палладия с добавкой до 10% порошка электролита [патент РФ RU 2 326 375 С1. МПК G 01 N 27/406. Дата опубликования 10.06.2008].

К недостаткам такого датчика относятся необходимость использования дорогих материалов (платины и палладия), необходимость активирования электрода, трудоемкое создание электрода сравнения с необходимостью применения печи до 800 °С, необходимость печи для создания рабочего электрода до 1100 °С, диапазон рабочего интервала температур от 300 до 550 °С.

Известно изобретение, в котором для детектирования монооксида углерода (СО) в воздухе применяют нанокристаллические широкозонные полупроводниковые оксиды Me (SNO₂, ZnO, In₂O₃), квантовые точки узкозонных полупроводников CdX (X=se, Te, S) и пропитку оксидов золями квантовых точек до формирования гетероконтактов MeO/CdX. Чувствительный материал наносят на изолирующую подложку из поликристаллического оксида алюминия с платиновыми измерительными электродами и встроенным светоизлучающим диодом [патент РФ RU 2 544 272 С2. МКП G 01 N 27/00. Дата опубликования 20.03.2015].

К недостаткам такого датчика относятся применение высокой температуры (450-500 °C) для создания нанокристаллической керамики, необходимость источника возбуждения квантовых точек, а также использование дорогостоящих платиновых электродов.

Известен датчик угарного газа с чувствительным материалом в виде полупроводникового основания, а именно поликристаллическая пленка твердого раствора (ZnTe) 0,75(CdSe)0,25, выполненная на непроводящей подложке [патент РФ RU 2 666 189 С1. МКП G 01 N 27/12. Дата опубликования 06.09.2018].

К недостаткам такого датчика относятся необходимость измерения pH изоэлектрического состояния поверхности, сложность при переводе концентрации угарного газа в цифровой сигнал, а также применение опасного для человека кадмия.

Задачей изобретения является создание новой конструкции тонкопленочного органического датчика монооксида углерода с достижением следующего технического результата: повышение точности определения концентрации монооксида углерода за счет повышения чувствительности датчика.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что тонкопленочный органический датчик монооксида углерода включает диэлектрическую подложку из стекла с токовыми электродами Ш-образного вида из серебра, при этом зазор между электродами составляет 50 микрометров и в область зазора между электродами нанесена пленка из углеродного композитного материала в виде полиариленфталида-одностенных углеродных нанотрубок-оксида графена.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображен вид сверху тонкопленочного органического датчика монооксида углерода. На фиг.2 представлен градуировочный график датчика, показывающий зависимость силы тока от концентрации СО в воздухе.

Тонкопленочный органический датчик монооксида углерода содержит диэлектрическую подложку из стекла 1, на которой расположены токовые электроды Ш-образного вида 2 из серебра с зазором 50 микрометров, и пленку из углеродного композитного материала 3, нанесенную в область зазора электродов.

Тонкопленочный органический датчик монооксида углерода работает следующим образом. На датчик подается постоянное напряжение и измеряется протекающий ток через пленку из углеродного композитного материала 3. Чувствительность органического датчика СО начинается от 5 ppm (фиг. 2). При построении градуировочного графика постоянная времени датчика не превышала 8 с. Все измерения параметров датчика проводились при комнатной температуре, в качестве газа-носителя использовался воздух.

Способ изготовления тонкопленочного органического датчика монооксида углерода включает следующие этапы: чистку поверхности в ультразвуковой ванне в дистиллированной воде, сушку в печи, напыление в вакууме электродов Ш-образного вида из серебра, создание раствора композитного материала, нанесение тонкой пленки из углеродного композитного материала в зазор электродов методом центрифугирования.

Предлагаемое изобретение имеет следующие преимущества: создание датчика без высокотемпературных обработок, температура печи менее 150 °С; использование недорогостоящего материала для электродов; безопасные для человека материалы датчика; совместимость датчика с микроэлектроникой, простой перевод сигнала с датчика в цифровой; измерение концентрации монооксида углерода при комнатной температуре.

За счет применения чувствительного элемента из композитного материала в виде полиариленфталида-одностенных углеродных нанотрубок-оксида графена чувствительность предлагаемого датчика увеличивается на 20 %, что в свою очередь повышает точность определения концентрации монооксида углерода до 60% по сравнению с аналогами.

Итак, заявляемое изобретение позволяет повысить точность определения концентрации монооксида углерода за счет повышения чувствительности датчика, а также оперативно измерить в большом диапазоне концентрацию монооксида углерода при уменьшенном энергопотреблении до 0,5 Вт.

Изобретение относится к области газового анализа и может быть использовано в промышленности для контроля воздушной среды в помещениях. Тонкопленочный органический датчик монооксида углерода включает диэлектрическую подложку из стекла с токовыми электродами Ш-образного вида из серебра, при этом зазор между электродами составляет 50 мкм и в область зазора между электродами нанесена пленка из углеродного композитного материала в виде полиариленфталида одностенных углеродных нанотрубок оксида графена. Изобретение обеспечивает возможность повысить чувствительность предлагаемого датчика на 20 %, что в свою очередь повышает точность определения концентрации монооксида углерода до 60 %. 2 ил.

Тонкопленочный органический датчик монооксида углерода включает диэлектрическую подложку из стекла с токовыми электродами Ш-образного вида из серебра, при этом зазор между электродами составляет 50 мкм и в область зазора между электродами нанесена пленка из углеродного композитного материала в виде полиариленфталида одностенных углеродных нанотрубок оксида графена.