Тонкопленочный органический датчик метана Российский патент 2023 года по МПК G01N27/12 B82Y40/00 

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам для регистрации и измерения содержания довзрывных концентраций метана в воздухе. Изобретение может быть использовано в промышленности для контроля воздушной среды в помещениях.

Известен датчик метана на диэлектрической подложке с чувствительным слоем и металлическими электродами. Чувствительный слой из сульфида европия, модифицированного добавкой сульфида самария, концентрация добавки не более 25 мол.% [патент РФ RU 2 623 658 С1. МПК G 01 N 27/12. Дата опубликования 28.06.2017].

К недостаткам такого датчика относятся необходимость поддержания температуры поверхности детектора 190°С и необходимость использования дорогого материала платины.

Известен полупроводниковый газовый сенсор с чувствительным элементом из смеси оксида олова SnO₂ и оксида индия In₂O₃ с нагревателем из платиновой проволоки [патент РФ RU 2 509 303 С1. МКП G 01 N 27/14. Дата опубликования 10.03.2014].

К недостаткам такого устройства можно отнести необходимость в нагревателе в виде цилиндрической пружины, высокое энергопотребление.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является тонкопленочный датчик метана, способ изготовления которого описан в патенте [патент РФ RU 2 231 052 С1. МКП G 01 N 27/02. Дата опубликования 20.06.2004], включающий диэлектрическую подложку из ситалла с токовыми электродами гребенчатого вида с нанесенным на нее чувствительным элементом. Для детектирования метана применяют слой химически очищенного фталоцианина магния. Чувствительный материал наносят на ситалловую подложку с растровыми электродами из антикоррозийного сплава.

К недостаткам такого датчика относятся сложность создания чувствительного слоя, а именно нагрев подложки в вакууме до 200°С, необходимость очищения химическим методом, а также высокое энергопотребление.

Задачей изобретения является создание новой конструкции тонкопленочного органического датчика метана с достижением следующего технического результата: повышение оперативности измерения концентрации метана в воздухе с уменьшением энергопотребления.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что в тонкопленочном органическом датчике метана, включающем диэлектрическую подложку из ситалла с токовыми электродами гребенчатого вида с нанесенным на нее чувствительным элементом, согласно изобретению, токовые электроды гребенчатого вида выполнены из алюминия, чувствительный элемент представляет собой пленку из углеродного композитного материала в виде полиариленфталида-одностенных углеродных нанотрубок-оксида графена, нанесенную на область зазора электродов, при этом зазор между электродами составляет 50 микрометров.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображен общий вид тонкопленочного органического датчика метана. На фиг.2 изображен градуировочный график датчика.

Тонкопленочный органический датчик метана состоит из диэлектрической подложки из ситалла 1, на которой расположены взаимопроникающие токовые электроды гребенчатого вида 2 и 3 из алюминия с зазором 50 микрометров, и пленки из углеродного композитного материала 4, нанесенной на область зазора электродов.

Датчик метана работает следующим образом. На датчик подается постоянное напряжение и измеряется протекающий ток через пленку из композитного материала 4. Под действием метана изменяется ток, значение которого зависит от концентрации метана в единицах ppm.

Чувствительность органического датчика метана начинается от 8 ppm (фиг. 2). При построении градуировочного графика постоянная времени датчика не превышала 5 с. Все измерения параметров датчика проводились при комнатной температуре, в качестве газа-носителя использовался воздух.

Способ изготовления тонкопленочного органического датчика метана включает следующие этапы: удаление загрязнений с поверхности подложки в ультразвуковой ванне, сушка в печи, создание теневой маски для зазора между электродами, напыление в вакууме электродов из алюминия, создание раствора композитного материала, создание тонкой пленки композитного материала методом центрифугирования в области зазора электродов.

Изобретение имеет преимущества:

1) композитный материал (полиариленфталид - одностенные углеродные нанотрубки - оксид графена) реагирует на присутствие в воздухе метана без нагрева;

2) значение тока на градуировочном графике соответствует концентрации метана в воздухе;

3) процесс подготовки чувствительного к метану материала прост, а стоимость материала имеет наименьшую цену, подходит для серийного производства;

4) упрощение изготовления датчика за счет применения только одной пары электродов;

5) из-за отсутствия затрат энергии на нагрев увеличивается энергоэффективность датчиков на основе композитного материала (полиариленфталид - одностенные углеродные нанотрубки - оксид графена).

Величина энергопотребления у аналогов составляет более 0,8 Вт, а у предлагаемого датчика - 0,5 Вт, то есть уменьшение энергопотребления составляет более чем на 0,3 Вт. Скорость реагирования датчика составляет от 5 секунд до 1 минуты для 400 ppm, от 1 минуты до 5 минут для 150 ppm и от 10 минут до 60 минут для 40 ppm.

Итак, заявляемое изобретение позволяет быстро измерить концентрацию метана в воздухе тонкопленочным датчиком с чувствительной пленкой из углеродного композитного материала, уменьшить энергопотребление при измерении концентрации метана и упростить изготовление датчика метана.

Изобретение относится к области газового анализа и может быть использовано в промышленности для контроля воздушной среды в помещениях. Тонкопленочный органический датчик метана включает диэлектрическую подложку из ситалла с токовыми электродами гребенчатого вида с нанесенным на нее чувствительным элементом, при этом токовые электроды гребенчатого вида выполнены из алюминия, чувствительный элемент представляет собой пленку из углеродного композитного материала в виде полиариленфталида одностенных углеродных нанотрубок оксида графена, нанесенную на область зазора электродов, причем зазор между электродами составляет 50 мкм. Изобретение обеспечивает повышение оперативности измерения концентрации метана в воздухе с уменьшением энергопотребления. 2 ил.

Тонкопленочный органический датчик метана, включающий диэлектрическую подложку из ситалла с токовыми электродами гребенчатого вида с нанесенным на нее чувствительным элементом, отличающийся тем, что токовые электроды гребенчатого вида выполнены из алюминия, чувствительный элемент представляет собой пленку из углеродного композитного материала в виде полиариленфталида одностенных углеродных нанотрубок оксида графена, нанесенную на область зазора электродов, при этом зазор между электродами составляет 50 мкм.