Датчик на основе двумерной квантовой структуры Российский патент 2024 года по МПК G01N27/12 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к полупроводниковым датчикам химического состава газа. Технический результат: увеличение чувствительности к сверхмалым концентрациям измеряемого вещества. Сущность: датчик представляет собой диэлектрическую подложку с нанесенными на нее металлическими взаимопроникающими гребенчатыми электродами, между которыми сформирован слой квантовой структуры – двумерного электронного газа.

Изобретение 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 полупроводниковый датчик газов, представляющий собой электроизолирующую подложку с размещенными на ней нагревателем и термодатчиком, электродами для газочувствительного слоя и газочувствительным слоем, помещенную в металлокерамический корпус, отличающийся тем, что на подложку из кремния, покрытую слоем диоксида кремния, нанесены нагреватель и термодатчик, выполненные из платины с подслоем титана в виде резисторов типа "меандр" и электроды встречно-штыревой конструкции для газочувствительного слоя, изготовленные из того же материала, а газочувствительный слой представляет собой пленку металлооксидного полупроводника, нанесенного на встречно-штыревые электроды [Патент №2114422].

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

Известен датчик газообразного аммиака, содержащий слой газочувствительного вещества и электроды, отличающийся тем, что электроды выполнены из металлического хрома в виде взаимопроникающих гребенок с расстоянием между полосками 3-10 мкм, а слой газочувствительного вещества выполнен из металлокомплексов тетрафенилпорфирина и нанесен на поверхность гребенок [Патент №2172486].

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 см 2 наносят слой органического полупроводника фталоцианина магния, толщиной не более 15 нм, который затем подвергается легированию кислородом воздуха [Патент №2231052].

К недостаткам изобретений относятся сложность изготовления из-за применения технохимической активации и легирования, а также невысокая чувствительность из-за применения полупроводниковых материалов.

В качестве прототипа как наиболее близкого по своей технической сути к заявляемому изобретению выбран диэлектрический газовый сенсор, описанный в патенте на изобретение № 2779966 C1, МПК G01N 27/12, опубл. 2022 г.

В прототипе описан 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.

К недостаткам устройства относится недостаточная чувствительность датчика для сверхмалых концентраций измеряемых веществ.

Известны органические материалы, в которых наблюдается возникновение зоны двумерной проводимости – квантовой ямы, содержащей электронный газ. Известно, что химический состав атмосферы, в которую помещены данные материалы, оказывает сильное влияние на такие параметры проводимости этой зоны, как подвижность и концентрация носителей заряда. Таким образом, при изменении химического состава вещества, контактирующего с такими органическими материалами, изменяется их электрическое сопротивление.

Задачей, решаемой изобретением, является создание такого способа, которое бы имело высокие потребительские свойства за счет преобразования сверхмалых изменений 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, содержащего квантовую структуру – двумерный электронный газ.

Поставленная задача решается тем, что в известном изобретении диэлектрической подложки с нанесенными на нее металлическими взаимопроникающими гребенчатыми электродами, на которые нанесена пленка диэлектрического электроактивного полимерного материала, отличающийся тем, что в качестве чувствительного покрытия используют слой, изготовленный из полимера класса полиариленфталида и содержащий квантовую структуру – двумерный электронный газ.

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 чертежом и заключается в следующем. На диэлектрической подложке 1 формируют слой металлических взаимопроникающих гребенчатых электродов 2, между которыми формируют слой, содержащий двумерный электронный газ 3; электрическое сопротивление структуры 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 методом центрифугирования при скорости вращения от 1000 до 7000 об/мин наносится первый сплошной слой органического материала из готового раствора полимера, например, из класса полиариленфталидов, полиметилметакрила, поливинилкарбозола толщиной от 10^-6 до 50⋅10^-6 м. После чего слой 2 высушивается при температуре от 70 до 350°С в течение не менее 1 минуты. Затем наносится слой металлических взаимопроникающих гребенчатых электродов 2, например, методом термодиффузионного или магнетронного напыления, с помощью литографии или теневой маски. Толщина слоя находится в интервале от 10^-8 м до 50⋅10^-7 м. Зазор между электродами составляет от 10^-6 м до 50⋅10^-6 м. Затем аналогичным методом наносится второй слой органического материала.

Далее прикладывается разность потенциалов между двумя гребенчатыми электродами 3 величиной 3 В и измеряется величина электрического сопротивления. При изменении химического состава атмосферы, контактирующей со слоем 4, происходит изменение условий переноса заряда между электродами. Из-за этого меняется его сопротивление.

Изобретение относится к измерительной технике. Диэлектрический газовый сенсор выполнен в виде диэлектрической подложки с нанесенными на нее металлическими взаимопроникающими гребенчатыми электродами, на которые нанесена пленка диэлектрического электроактивного полимерного материала, при этом в качестве чувствительного покрытия используют слой органического материала, изготовленный из полимера класса полиариленфталида и содержащий двумерный электронный газ. Технический результат – повышение чувствительности сенсора. 1 ил.

Диэлектрический газовый сенсор, выполненный в виде диэлектрической подложки с нанесенными на нее металлическими взаимопроникающими гребенчатыми электродами, на которые нанесена пленка диэлектрического электроактивного полимерного материала, отличающийся тем, что в качестве чувствительного покрытия используют слой органического материала, изготовленный из полимера класса полиариленфталида и содержащий двумерный электронный газ.