Способ изготовления газового датчика Советский патент 1993 года по МПК G01N27/12 

ния пленки , легированной 0,1 % AI, на диэлектрическую подложку с нагревателем и электродами. Пленку чувствительного слоя наносят распылением специально приготовленной мишени высокочастотным разрядом в кислородсодержащей среде. Для повышения чувствительности к анализируемому газу легированная плен каЗпОг покрывается сверху тонкой пленкой (10-100 А) каталитически активного металла Pt. Рабочая температура датчика при индикации сероводорода в воздухе 280°С. К преимуществам данного способа изготовления газового датчика относится высокий уровень технологичности. Ему, однако, присущ и ряд существенных недостатков: низкая чувствительность к сероводороду в области его микроконцентраций (ПДК рабочей зоны и ниже); относительно высокая рабочая температура (280°С), что повышает потребляемую датчиком мощность; существенное влияние на показания датчика влажности анализируемой газовой смеси, а также необходимость применения драгоценного ме- талла - Pt.

Целью изобретения является повышение чувствительности датчика к сероводороду в области его микроконцентраций, равных ПДК рабочей зоны.

Указанная цель достигается тем, что в способе изготовления газового датчика, заключающемся в последовательном формировании на диэлектрической подложке чувствительного слоя на основе легированной двуокиси олова, нагревателя, контактов к чувствительному слою и нагревателю, измерителя температуры, чувствительный слой формируют путем чередующегося вакуумного напыления из двух испарителей, в первом из которых содержится навеска ЗпОг + (2,5±0,1) % Sb, а во втором - SnOa + (1,5±0,1 ) % Jn, при отношении длительности общего периода напыления из первого испарителя к длительности всего периода напыления, равном (0.7±0,05), полученную таким образом пленку отжигают сначала в течение 4 ч при 450-500°С в токе увлажненного воздуха, а затем в течение 0,5 ч при 150-200°С в токе осушенного воздуха с добавлением, 0,5-1 % по объему паров фтористого водорода.

Пример, Датчик по данному способу изготавливают на подложке из ситалла марки СТ-50 размером 8 х 3 х 0,4 мм. Нагрева- тель наносят напылением пленки из нихрома толщиной 0,5 мкм, контакты - напылением пленочной композиции типа Cr-Cu-Ni. В качестве измерителя температуры используют терморезистор типа СТ18, который приклеивают к подложке термостойким клеем. Чувствительный слой наносят на установке УВН-83-П1 в безмасляном вакууме, испаряя навески из двух электронно-лучевых испарителей, работающих в режиме прыгающего луча с регулируемым периодом сканирования. Оптимальные условия формирования чувствительного слоя найдены методом математического планирования многофакторного технологического эксперимента. При этом реализована схема полного факторного эксперимента типа 23, приведенная в таблице.

В качестве варьируемых факторов XL Х2,

хз методом экспериментальных оценок были выбраны;

xi - содержание примеси Sb к Sn02 в первом испарителе, % по массе;

Х2 - содержание примеси Jn к Sn02 во

втором испарителе, % по массе;

хз - отношение длительности общего периода напыления из первого испарителя к длительности всего периода напыления.

в качестве функции отклика у принят коэффициент чувствительности К датчика к сероводороду, определяемый при концентрации его в воздухе, равной ПДК рабочей зоны (3 мг/м3) по формуле

RO

К

RH2S

(1)

0

0

где RO - сопротивление да г-: са в воздухе;

RH2S - сопротивление ч/ка в сероводороде.

Полученные результаты ..ногос актирного эксперимента по определению мальных условий формирования чувствительного слоя приведены в 5-м столбце таблицы. Из этих результатов видно, что максимум функции отклика (у 17,0) реализуется при следующих значениях варьируемых факторов: xi 2.5; Х2 1,5; хз 0.7. В ° таблице приведены средние значения у по измерениям 10 датчиков.

Оптимальная температура отжига на- пыленного чувствительного слоя определена опытным путем в ряде экспериментов, результаты которых представлены на фиг. 1, где приведена зависимость коэффициента чувствительности К при Сна мг/м3 от температуры отжига чувствительного слоя.

Из графика на фиг. 1 видно, что оптимальной температурой отжига является температура 450-500°С. Время отжига чувствительного слоя в токе увлажненного воздуха определено поданным рентгенофа- зового анализа чувствительного слоя исходя из критерия полного превращения смеси окислов SnO + Sn02 в фазу Sn02 при сохранении чувствительности датчика к сероводороду. Этот критерий в случае отжига чувствительного слоя в токе увлажненного до уровня 85-90 % воздуха при температуре 450-500°С достигается за 4 ч.

Испытания стабильности значения выходного параметра (электрического сопротивления) изготовленного по вышеприведенному способу датчика в воздушных средах различной влажности показали заметную зависимость R датчика от влажности анализируемой воздушной среды. Эти результаты показаны на графике фиг. 2, кривая а. Для уменьшения чувствительности датчика к влажности анализируемой газовой среды по данному способу его изготовления чувствительный слой после отжига при 450-500°С в токе увлажненного воздуха отжигают 0,5 ч при 150-200°С в токе осушенного воздуха с добавлением 0,5-1 % по объему паров фтористого водорода. На графике 2 (кривая б) показана чувствительность к влажности датчика, обработанного в парах HF. Анализ зависимостей графика фиг. 2 показывает, что термообработка в парах HF снижает почти в три раза зависимость выходного параметра датчика от влажности анализируемой газовой среды. Механизм этого явления, по-видимому, обусловлен замещением гидроксильных групп на поверхности полупроводниковой двуокиси олова на фтор, что приводит к уменьшению чувствительности датчика к влажности.

Исследование зависимости коэффициента чувствительности датчика, изготовленного по заявляемому способу, от его рабочей температуры показало (фиг. 3). что на данной зависимости при 150-155°С имеется максимум. Эта температура (150- 155°С) и является наиболее оптимальной с точки зрения достижения наибольшей чувствительности датчика к сероводороду в обФормулаизобретенияСпособ изготовления газового датчика, заключающийся в последовательном формировании на диэлектрической подложке чувствительного слоя на основе легированной двуокиси слова, нагревателя, контактов к чувствительному слою и нагревателю, измерителя температуры, отличающий- с я тем, что, с целью повышения чувствительности датчика к сероводороду в области микроконцентраций, равных ПДК рабочей зоны, чувствительный слой формируют путем чередующегося ва куумного напыления

ласти его микроконцентраций, равных ПДК рабочей зоны.

Технические преимущества заявляемого способа изготовления газового датчика в сравнении с прототипом состоят в повышении чувствительности изготовляемого датчика к сероводороду в области его микроконцентраций, равных ПДК рабочей зоны. Способ по прототипу позволяет изготавливать газовые датчики, чувствительные в области высоких концентраций (0,1 об. % и выше). Однако в области микроконцентраций сероводорода (ПДК и ниже) они обладают низкой чувствительностью и не могут

использоваться е системах контроля безопасности труда. Заявляемый способ позволяет изготавливать газовые датчики, обладающие высокой чувствительностью к сероводороду в области его микроконцентраций (коэффициент чувствительности равен 17 при С 3 мг/м ). Кроме того, датчики, изготовленные по данному способу, обладает более низкой, чем по прототипу, рабочей температурой при анализе сероводорода

(155°С против 280°С у прототипа). Это позволяет уменьшить потребляемую мощность и увеличить ресурс работы датчика. Способ позволяет почти в три раза уменьшить чувствительность газовых датчиков к

влажности анализируемой газовой среды.

Использование изобретения для контроля воздуха на предприятиях нефтегазовой, химической промышленности, а также других предприятиях, где возможно появление сероводорода в воздухе рабочей зоны, позволяет улучшить технику безопасности, повысить производительность труда и улучшить охрану окружающей среды.

Достоверность достижения цели видна

из приведенных данных технологического эксперимента (см. таблицу), а также результатов экспериментальных исследований (фиг. 1-3) датчиков, изготовленных по данному способу.

из двух испарителей, в первом из которых содержится навеска Sn02 + (2,5±0,1) % Sb, а во втором - Sn02 + (1,5±0,1) % Jn, при

отношении длительности общего периода напыления из первого испарителя к длительности всего периода напыления, равном 0,7±0,05, и полученную таким образом пленку отжигают сначала в течение 4 ч при

температуре 450-500°С в токе увлажненного воздуха, а затем в течение 0,5 ч при температуре 150-200°С в токе осушенного воздуха с добавлением 0,5-1 % по объему паров фтористого водорода.

Схема полного факторного технологического эксперимента типа 2 и полученные

результаты

К f8

1

f$ /5 /4 /3

/2

100

мОн

W V 1,0 01 0,6

441

0Ј

дс-..

L

Ю 20 30 ЦО 30 60 Фи г. 2

S

У

ш

500

680

г,с

о

-I--------470 50 SO 100

, /

- 52 Ј « s «