датчик определения концентрации газов

Формула изобретения

Датчик определения концентрации газов, содержащий диэлектрическую подложку, газочувствительный слой, контакты, нагреватель и термодатчик, отличающийся тем, что он снабжен дополнительной диэлектрической подложкой, дополнительными контактами и дополнительным газочувствительным слоем, последовательно расположенными на одной стороне дополнительной диэлектрической подложки, двумя механически соединенными газонепроницаемыми прокладками, при этом термодатчик расположен на обратной стороне дополнительной диэлектрической подложки, с противоположной стороны которой размещена газонепроницаемая прокладка, а вторая газонепроницаемая прокладка расположена над дополнительным газочувствительном слоем, при этом с другой стороны второй газонепроницаемой прокладки последовательно размещены нагреватель, диэлектрическая подложка, контакты и газочувствительный слой.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области измерений, в частности газовому анализу, и может быть использовано для создания пороговых датчиков, реагирующих на превышение допустимого содержания взрывоопасных и вредных для здоровья веществ и устройств, предназначенных для анализа состава атмосферы или газовых смесей.

Известен датчик газов [см. Патент Японии №01196556, кл. G 01 N 27/12, 1989], содержащий диэлектрическую подложку, резистивный нагревательный элемент из вольфрама и платины, покрытый изоляционной пленкой из оксида алюминия, на которую нанесены встречно-штырьевые контакты из золота. На газочувствительный слой, выполненный из оксида металла, сверху нанесена пленка катализатора из пористого алюминия с платиновыми включениями. Резистивный нагревательный элемент и газочувствительная пленка соединены последовательно и к ним приложено постоянное напряжение.

Однако в данном устройстве отсутствует возможность контролировать рабочую температуру газочувствительного слоя, что приводит к его непостоянному нагреву и погрешностям в работе всей конструкции. Так же одинаковое постоянное напряжение, приложенное к резистивному нагревательному элементу и газочувствительной пленке, накладывает ограничения на их параметры.

Известен датчик газа NO₂ [см. Патент Японии №58158549, кл. G 01 N 27/12, 1983], содержащий диэлектрическую подложку, пленочный нагревательный элемент, газочувствительный слой с электродами и термодатчик для контроля температуры газочувствительного слоя. Газочувствительный слой состоит из двух пленок на основе оксида олова с различными размерами кристаллитов, нанесенных на четыре электрода, два из которых генерируют выходной сигнал в ответ на газ, а два других предназначены для детектирования рабочей температуры газочувствительного слоя.

Однако в данной конструкции используется пленка на основе диоксида олова в качестве терморезистора, что требует ее постоянной градуировки, а так же происходит изменение параметров пленки при постоянном нагреве и влиянии воздушной среды.

В качестве прототипа предлагаемого технического решения выбран полупроводниковый датчик газов [см. Патент РФ №2114422, кл. G 01 N 27/12, 1998], содержащий диэлектрическую подложку с размещенными на ней нагревателем, термодатчиком, электродами газочувствительного слоя и газочувствительным слоем, помещенной в металлокерамический корпус. Подложка выполнена из кремния с расположенным на ней слоем диоксида кремния. Нагреватель и термодатчик выполнены из платины с подслоем титана в виде резисторов типа "Меандр". Электроды газочувствительного слоя изготовлены в виде встречно-штырьевой структуры из того же материала. Газочувствительный слой представляет собой пленку металлоксидного полупроводника.

Однако у данного датчика неравномерное расположение нагревателя на одном краю кристалла датчика приводит к градиенту температуры вдоль кристалла, большой рассеиваемой мощности и, в результате чего, искажаются показания термодатчика, а так же происходит неравномерный нагрев газочувствительной пленки и непостоянные значения рабочей температуры. Недостатком является и использование титана в качестве адгезионного слоя.

Технической задачей изобретения является достижение равномерного нагрева газочувствительного слоя во время работы и повышение стабильности рабочей температуры, при которой производится определение содержания газа.

Это достигается тем, что известный датчик определения концентрации газов, содержащий диэлектрическую подложку, газочувствительный слой, контакты, нагреватель и термодатчик, снабжен дополнительной диэлектрической подложкой, дополнительными контактами и дополнительным газочувствительным слоем, последовательно расположенными на одной стороне дополнительной диэлектрической подложки, двумя механически соединенными газонепроницаемыми прокладками, при этом термодатчик расположен на обратной стороне дополнительной диэлектрической подложки, с противоположной стороны которой размещена газонепроницаемая прокладка, а вторая газонепроницаемая прокладка расположена над дополнительным газочувствительном слоем, при этом с другой стороны второй газонепроницаемой прокладки последовательно размещены нагреватель, диэлектрическая подложка, контакты и газочувствительный слой.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен датчик определения концентрации газов, на фиг.2 показан вид одной из сторон газочувствительного элемента, на фиг.3 приведен вид обратной стороны газочувствительного элемента.

Датчик определения концентрации газов содержит идентичные диэлектрическую подложку 1 и дополнительную подложку 2, на одной из сторон 3 диэлектрической подложки 1 последовательно расположены платиновые встречно-штырьевые контакты 4 и газочувствительный слой 5 из пленки на основе диоксида олова, а на обратной стороне 6 диэлектрической подложки 1 расположен платиновый нагреватель 7 и газонепроницаемая прокладка 8. На дополнительной диэлектрической подложке 2 на стороне 9, обращенной к газонепроницаемой прокладке 8, последовательно расположены дополнительные встречно-штырьевые контакты 10 и дополнительный газочувствительный слой 11. С обратной стороны 12 дополнительной диэлектрической подложки 2 находится термодатчик 13 и вторая газонепроницаемая прокладка 14. Газонепроницаемые прокладки 8 и 14 механически соединены между собой, например, скобой.

Газочувствительный слой 5, платиновые встречно-штырьевые контакты 4, диэлектрическая подложка 1 и платиновый нагреватель 7 образуют газочувствительный элемент, разделенный газонепроницаемой прокладкой 8 с другим дополнительным газочувствительным элементом, образованным дополнительным газочувствительным слоем 11, дополнительными платиновыми встречно-штырьевые контактами 10, дополнительной диэлектрической подложкой 2 и термодатчиком 13. Дополнительный газочувствительный элемент защищен от окружающей среды второй газонепроницаемой прокладкой 14.

Датчик определения концентрации газов работает следующим образом.

Газочувствительные элементы электрически соединены между собой по мостовой схеме Уитстона.

На платиновый нагреватель 7 подается напряжение питания, вследствие чего происходит разогрев газочувствительных слоев 5, 11 до рабочих температур, регулировка которых производится при помощи предварительно проградуированного термодатчика 13. До помещения датчика в газообразную среду газочувствительный элемент сравнения подвергается калибровке. Датчик помещается в исследуемую газообразную среду. Гетерогенные реакции, лежащие в основе механизма детектирования газов, являются сложным процессом, который можно условно разбить на ряд относительно простых этапов. Это адсорбция кислорода на поверхность пленки первого газочувствительного элемента, нагретой до рабочей температуры, с образованием ионов O₂ ^-, О^- . В результате заряжения поверхности при переносе электрона из зоны проводимости на поверхностный центр кислорода возникает эффект поля, что приводит к росту электрического сопротивления первого газочувствительного элемента. При появлении в атмосфере восстанавливающих реагентов ионы кислорода на поверхности газочувствительной пленки первого газочувствительного элемента вступают с ними в реакцию, идет гетерогенная реакция ионов кислорода с адсорбированными молекулами газа-восстановителя, в результате которой происходит обратный перенос электрона в зону проводимости и испарение продукта реакции с поверхности. Сопротивление первого газочувствительного элемента уменьшается. В результате регистрируется разбаланс моста.

Изготовление датчиков может быть осуществлено следующим образом.

В качестве диэлектрических подложек 1 и 2 используется слюда. На стороны 3, 9 соответственно подложек 1, 2 магнетронным напылением через маску наносятся встречно штыревые Pt контакты 4, 10, на них реактивным магнетронным напылением через маску наносится газочувствительный слой (пленка) SnO₂ 5, 11. Толщина пленки порядка 100 нм.

На противоположной стороне 6 диэлектрической подложки 1 так же магнетронным напылением через маску формируется пленочный Pt нагреватель 7, и на противоположной стороне 12 диэлектрической подложки 2 таким же способом формируется пленочный термодатчик 13 в виде змейки.

Далее проводится механическое крепление первого газочувствительного элемента, газонепроницаемой прокладки (слюда) 8, второго газочувствительного элемента и второй газонепроницаемой прокладки (слюда) 14 посредством металлической скобы.

Расположение нагревательного элемента 7 с обратной стороны диэлектрической подложки 1 над газонепроницаемой прокладкой 8 по отношению к дополнительному газочувствительному элементу позволяет добиться равномерного и одинакового нагрева газочувствительных слоев обоих элементов. Расположение термодатчика 13 с обратной стороны дополнительной газочувствительной диэлектрической подложки 2 позволят постоянно контролировать рабочую температуру датчика, изменяющуюся вследствие воздействий окружающей среды.

Использование изобретения позволяет повысить стабильность сопротивления во время рабочего процесса за счет контроля рабочей температуры и обеспечить концентрационный анализ исследуемых реагентов при создании устройств на базе полученных датчиков, отвечающих современным и перспективным требованиям по массогабаритным показателям, энергетическим параметрам, надежности, стабильности, сроку.