датчик концентрации аммиака

Формула изобретения

Датчик концентрации аммиака, включающий подложку, на которой расположены электроды и чувствительный слой на основе полианилина, содержащего модифицирующую добавку, отличающийся тем, что в качестве модифицирующей добавки использованы гетерополикислоты 2 : 18 ряда общей формулы H_6+nP₂W_18-nMo_nO₆₂ (n = 0 - 18) или их калиевые, натриевые, литиевые, аммониевые, цериевые, кобальтовые, марганцевые соли.

Описание изобретения к патенту

Данное изобретение относится к области аналитического приборостроения, а именно к датчикам состава газов.

Предлагаемый датчик предназначен для определения концентрации аммиака в парогазовых смесях и может быть использован в химической, нефтехимической, металлургической, холодильной, электронной и других отраслях промышленности.

Известен датчик концентрации аммиака, газочувствительный слой которого выполнен из полианилина [1].

К недостаткам такого датчика относится необходимость его подогрева, что ведет к увеличению потребляемой мощности.

Известен датчик для анализа газообразных веществ, в качестве газочувствительного слоя которого используется пленка проводящего полимера на основе смеси полисиланоанилина и полианилина в соотношении 9:1, которая может быть модифицирована анионными комплексами металлов [2].

К недостаткам такого датчика относится его недостаточная селективность по отношению к аммиаку, а также сложность технологии формирования комплексного сорбента.

В качестве прототипа выбран датчик концентрации аммиака, газочувствительный слой которого выполнен из полианилина, содержащего в качестве легирующей добавки комплексы переходных металлов или комплексы конденсированных ароматических соединений [3].

К недостаткам такого датчика также относятся его недостаточная чувствительность и селективность по отношению к аммиаку.

Техническим эффектом изобретения является повышение чувствительности и селективности датчика по отношению к аммиаку в его смеси с другими газами.

Это достигается тем, что в датчике концентрации аммиака, включающем подложку на которой расположены электроды и чувствительный слой на основе полианилина, содержащего модифицирующую добавку, с целью повышения чувствительности и селективности по отношению к аммиаку в качестве модифицирующей добавки использованы гетерополикислоты 2:18 ряда общей формулы H_6+nP₂W_18-nMo_nO₆₂ (n=0-18) или их калиевые, натриевые, литиевые, аммониевые, цериевые, кобальтовые, марганцевые соли.

В предлагаемом датчике концентрации аммиака чувствительный слой выполнен из полианилина, содержащего в качестве модифицирующей добавки гетерополикислоты 2:18 ряда общей формулы H_6+nP₂W_18-nMo_nO₆₂ (n=0-18) или их калиевые, натриевые, литиевые, аммониевые, цериевые, кобальтовые, марганцевые соли. Датчики на основе полианилина применяются для контроля состава жидких и газовых сред. Однако неизвестно использование датчиков с чувствительным слоем, выполненным из полианилина, который содержит в качестве модифицирующей добавки гетерополикислоты 2:18 ряда общей формулы H_6+nP₂W_18-nMo_nO₆₂ (n=0-18) или их калиевые, натриевые, литиевые, аммониевые, цериевые, кобальтовые, марганцевые соли для определения концентрации аммиака в парогазовых средах.

На фиг. 1 представлен один из вариантов конструкции сорбционно-импедансного датчика концентрации аммиака.

На фиг. 2 представлены типичные кинетические зависимости отклика датчика концентрации аммиака с чувствительным слоем на основе полианилина, содержащего в качестве модифицирующей добавки гетерополикислоту 2:18 ряда формулы H₆P₂W₁₈O₆₂, в режиме импульсной подачи 10 ppm аммиака (кривая 1) и 20 ppm монооксида углерода (кривая 2) в воздухе.

На фиг.3 представлена типичная кинетическая зависимость отклика датчика концентрации аммиака с чувствительным слоем на основе полианилина, содержащего в качестве модифицирующей добавки гетерополисоединение 2:18 ряда формулы Ce₂P₂Mo₁₈O₆₂, в режиме импульсной подачи 30 ppm (кривая 1) и 50 ppm (кривая 2) аммиака в воздухе.

Датчик концентрации аммиака, один из вариантов конструкции которого представлен на фиг. 1, состоит из диэлектрической подложки 1, выполненной, например из ситалла, сапфира или окисленного кремния, на поверхности которой расположены металлические (никель, золото, хром) гребенкообразные электроды 2,3, поверх которых наносится газочувствительный слой 4.

Принцип действия датчика основан на изменении электрофизических характеристик (сопротивление) чувствительного слоя при его взаимодействии с аммиаком. Величина газочувствительности оценивалась по формуле (S-S₀)/S₀, где S₀ - начальная, S - измеряемая электрофизическая величина (в частности, сопротивление). Коэффициент селективности определялся как отношение газочувствительности датчика по отношению к аммиаку к газочувствительности по отношению к другим газам. Все измерения параметров датчика проводились при комнатной температуре, в качестве газа-носителя использовался воздух.

Процесс изготовления датчика концентрации аммиака реализуется следующим образом. На отмытую в стандартном процессе (например, перекисно-аммиачном) подложку из ситалла, сапфира или окисленного кремния проводят напыление слоя металла (в качестве которого могут быть использованы никель, золото или хром). После этого методом фотолитографии и последующего химического или плазмо-химического травления формируют конфигурацию электродов. Затем из раствора, содержащего анилин, соляную кислоту, и воду, методом анодной окислительной полимеризации наносят чувствительный слой на область перекрытия металлических, гребенкообразных электродов. Модифицирующая добавка вводится в чувствительный слой на основе полианилина либо непосредственно во время его электроосаждения на поверхность подложки, либо путем последующей обработки в кисловодном растворе, содержащем данную модифицирующую добавку.

Пример 1.

С помощью датчиков, конструкция которых представлена на фиг. 1, выполненных на ситалловых подложках размером 16,0х4,0 мм, на поверхность которых нанесены золотые гребенкообразные электроды толщиной 0,25 мкм, с чувствительным слоем на основе полианилина, содержащего в качестве модифицирующей добавки гетерополикислоту 2:18 ряда формулы H₆P₂W₁₈O₆₂, проводили измерения сопротивления в режиме подачи 10 ppm аммиака и 20 ppm монооксида углерода в воздухе. Расстояние между соседними зубцами и ширина электродов составляла 40 мкм. Необходимый уровень концентрации активных газов в газовой смеси задавали с помощью специального экспериментального стенда, реализованного по схеме динамического смесителя и позволяющего задавать в измерительной камере определенную концентрацию активных газовых компонентов. Электрофизические характеристики датчиков в режиме определения концентрации аммиака и монооксида углерода измеряли на постоянном токе с помощью цифрового мультиметра типа M890D.

Типичные кинетические зависимости отклика датчика концентрации аммиака в режиме импульсной подачи 10 ppm (кривая 1) аммиака и 20 ppm (кривая 2) монооксида углерода приведены на фиг. 2.

Постоянная времени датчиков не превышала 60 с.

При наличии в анализируемой смеси аммиака происходило резкое изменение сопротивления чувствительного слоя. При наличии в анализируемой газовой смеси монооксида углерода изменений сопротивления не наблюдалось.

Пример 2.

Датчиками, имеющими конструкцию, аналогичную описанной в примере 1, но отличающимися тем, что в качестве материала чувствительного слоя использовался полианилин, содержащий в качестве модифицирующей добавки гетерополисоединение 2:18 ряда формулы (NH₄)₉P₂W₃Mo₁₅O₆₂, проводили измерения концентрации аммиака, метана, диоксида углерода, сероводорода в воздухе. Измерения характеристик датчиков, а также приготовление газовой смеси проводили аналогично примеру 1. Постоянная времени датчиков не превышала 60 с. В табл. 1 приведены коэффициенты селективности датчиков концентрации аммиака в режиме измерения концентрации аммиака, метана, диоксида углерода, сероводорода в воздухе.

Пример 3.

Датчиками, имеющими конструкцию, аналогичную описанной в примере 1, но отличающимися тем, что в качестве материала чувствительного слоя использовался полианилин, содержащий в качестве модифицирующей добавки гетерополисоединение 2:18 ряда формулы Ce₂P₂Mo₁₈O₆₂, проводили измерения концентрации аммиака в воздухе. Измерения характеристик датчиков, а также приготовление газовой смеси проводили аналогично примеру 1. Постоянная времени датчиков не превышала 60 с. Типичная кинетическая зависимость отклика датчика концентрации аммиака в режиме импульсной подачи 30 ppm (кривая 1) и 50 ppm (кривая 2) аммиака приведена на фиг. 3.

Пример 4.

Датчиками, имеющими конструкцию, аналогичную описанной в примере 1, но отличающимися тем, что в качестве материала чувствительного слоя использовался полианилин, содержащий в качестве модифицирующей добавки гетерополисоединение 2: 18 ряда формулы Mn₃P₂Mo₁₈O₆₂, проводили измерения концентрации аммиака в воздухе. Измерения характеристик датчиков, а также приготовление газовой смеси проводили аналогично примеру 1. Постоянная времени датчиков не превышала 60 с. В табл. 2 приведены коэффициенты газочувствительности датчиков концентрации аммиака в режиме измерения концентрации аммиака в воздухе. Для сравнения там же приведены коэффициенты газочувствительности прототипа - датчиков концентрации аммиака, чувствительный слой которого выполнен из полианилина, содержащего в качестве модифицирующей добавки ализариновый красный C.

Таким образом, по сравнению с прототипом, предложенный датчик концентрации аммиака обладает следующими преимуществами:

- более высокая чувствительность по отношению к аммиаку;

- более высокая селективность по отношению к аммиаку.

Источники использованные при составлении заявки

1. Европейский патент N 0 398 286 А2. Ammonia sensor. Hirata M., Yosomiya R.; Takenishi S. 1990. МКИ G 01 N 27/12.

2. Патент Российской Федерации N. 2088914. Сенсор для анализа газообразных веществ. Радин С.А., Иванова О.М., Загарских В.Г., Высочанский А.В. 1997. МКИ G 01 N 27/30.

3. Патент Российской Федерации N 2038590. Датчик концентрации аммиака. Крутоверцев С.А., Летучий Я.А., Антонова О.Ю., Сорокин С.И., Кузнецов В.Б., Радин С.А. 1995. МКИ G 01 N 27/12 - прототип.