чувствительный элемент газового датчика
Классы МПК: | G01N21/45 с помощью методов, основанных на интерференции волн; с помощью шлирного метода G01N21/17 системы, в которых на падающий свет влияют свойства исследуемого материала |
Автор(ы): | Горшков Б.Г., Дорожкин Л.М., Нунупаров М.С., Тулайкова Т.В., Угаров М.В. |
Патентообладатель(и): | Институт общей физики РАН |
Приоритеты: |
подача заявки:
1993-06-28 публикация патента:
27.05.1996 |
Использование: в газовых датчиках при детектировании и определении концентрации компонентов газовой смеси. Сущность изобретения: чувствительный элемент газового датчика содержит основание с нанесенным на него полимерным покрытием, адсорбирующим газ. В качестве основания использован кремниевый микрорезонатор.
Формула изобретения
Чувствительный элемент газового датчика, содержащий основание с нанесенным на него полимерным покрытием, адсорбирующим газ, отличающийся тем, что в качестве основания использован кремниевый микрорезонатор.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к датчикам, предназначенным для детектирования и определения концентрации компонентов газовой смеси. Большинство датчиков этого класса содержит чувствительный элемент с химическим реагентом, способным взаимодействовать с детектируемым веществом, в результате его изменяются его характеристики. Наиболее близким к предлагаемому является устройство, принцип действия которого основан на измерении поглощения света при прохождении через чувствительный элемент, представляющий из себя фотополимер с химическим реагентом, причем величина поглощения зависит от концентрации газа в окружающей среде. Недостатками этого датчика являются необходимость предварительной обработки (облучения) полимера, а также влияние флуктуаций интенсивности сигнала источника и приемника света на точность измерения. Целью изобретения является повышение надежности измерений концентрации компонентов газовой смеси. Цель достигается тем, что в качестве чувствительного элемента датчика предложено использовать кремниевые колебательные структуры с нанесенным полимерным покрытием, способным взаимодействовать с детектируемым газом. Резонансные частоты кремниевых колебательных структур зависят как от внешних условий, так и от конфигурации самих резонаторов. Так, изменение массы резонатора (например, мембраны, мостика или структуры другого вида) приводит к изменению резонансной частоты, то есть может детектироваться. Именно на основе этого эффекта может быть создан датчик на некоторые вещества, содержащиеся в газовых смесях (например, С2Сl4, С2Н5ОН, С6Н14, С7Н8, С5Н5Ме и др.) и адсорбируемые в пленку реагента, нанесенную на поверхность колебательной структуры. Таким образом, чувствительным элементом датчика является кремниевый микрорезонатор, полученный, например, методом анизотропного химического травления в виде мостика с закрепленными концами и размерами 1000х20х2 мкм3. Известно, что у структур такого размера и вида поперечные колебания с характерными частотами порядка десятков и сотен килогерц легко возбуждаются с помощью лазерного излучения мощностью всего 0,01-1 мВт, модулированного с определенной частотой, а в случае совпадения возбуждающей частоты с одной из резонансных частот амплитуда соответствующей моды колебаний резко возрастает. Точность измерения изменения массы резонатора определяется шириной резонансного пика и, соответственно, добротностью Q колебаний. Добротность определяется величиной затухания колебаний, зависящей от многих факторов, в том числе от условий внешней среды и технологии изготовления. Однако высокие механические качеств кремния как материала для такого типа структур обуславливают высокие получаемые значения добротности (1000-10000). Минимальный детектируемый прирост массы дается формулой m-m1 2m/Q, (где m масса резонатора, m1 масса резонатора с детектируемым адсорбированным газом), поэтому миниатюрные размеры резонатора и высокие добротности позволяют создавать чувствительные и надежные датчики на различные газы. П р и м е р. С помощью пленки диметилполисилоксана толщиной около 100 нм, нанесенной на поверхность кремниевого микрорезонатора, выполненного в виде мостика с размерами 1000х20х2 мкм, можно измерять концентрацию С2Cl4 в окружающей среде с минимально детектируемой величиной порядка 10 ррm.Класс G01N21/45 с помощью методов, основанных на интерференции волн; с помощью шлирного метода
Класс G01N21/17 системы, в которых на падающий свет влияют свойства исследуемого материала