ГАЗОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ДАТЧИК НА ОСНОВЕ ГРАФЕНОПОДОБНЫХ СТРУКТУР

Полезная модель относится к области микро- и наноэлектроники и может быть применена в качестве наноразмерного устройства детекции газов и паров.
Из существующего уровня техники аналогом заявляемого устройства является «Графеновый сенсор для регистрации газообразных веществ» (RU 2674557 C1, опубл. 11.12.18), который имеет в своей конструкции диэлектрическую подложку, сформированную из SiC, на поверхности которой сублимацией карбида кремния получен слой графена; контакт со слоем графена обеспечивается за счет контактных площадок, расположенных по торцам в предусмотренных канавках, выполненных ионно-лучевым травлением.
Признаками аналога, которые совпадают с существенными признаками полезной модели являются:
а) слой графена на поверхности подложки;
б) диэлектрическая подложка, выполненная из SiC;
в) контактные площадки, контактирующие со слоем графена.
2
Причинами, препятствующими достижению технического результата, является ограниченный срок службы, который определяется прочностью соединения диэлектрической подложки, выполненной из SiO со слоем графена и слоя графена с контактными площадками, полученными электронно-лучевым напылением непосредственно на поверхность слоя графена при воздействии механических и термических колебаний.
Известен аналог «Активный элемент на основе графена для газоанализаторов электропроводного типа» (RU 2716038 C1 опубл. 05.03.2020), сущность которого состоит в использовании в качестве активного элемента электродов газоанализаторов графеновый материал, который состоит из волокон, образуемых свободным графеном, который не связан с физической подложкой, выполненной из какого-либо другого материала.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками полезной модели, является активный элемент на основе графена.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются сложности получения бездефектного чистого графена.
Наиболее близким по технической сущности и принятым за прототип является «Газовый сенсор на основе углеродных нанотрубок» (RU 187907 опуб. 21.03.2019), основными компонентами которого являются: подложка, на которой сформирован контактный слой, обеспечивающий за счет проводящего материала контакт к аноду из углеродных нанотрубок (УНТ); катод из проводящего материала; опоры, материалом которых является неорганический диэлектрик и которые обеспечивают между анодом и катодом зазор; каналов для циркуляции газа; крышка из полупроводникового или диэлектрического материала, на которой формируется катод и верхний электрод из проводящего материала; нижний электрод, сформированный из проводящего материала; сорбционный газочувствительный слой, сформированный из УНТ, который образует между нижним и верхним электродами сопротивление.
Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками полезной модели, являются:
а) чувствительная элемент представляет собой углеродную наноструктуру;
б) подложка из диэлектрического материала;
в) зазор между анодом и катодом, сформированный из диэлектрического материала.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, является: наличие дефектов в УНТ; неравномерность по толщине (количеству слоев); неравномерность по высоте.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является создание энергоэффективного газочувствительного датчика на основе графеноподобных структур.
Для достижения технического результата в энергоэффективном газочувствительном датчике на основе графеноподобных структур, содержащем подложку из карбида кремния, чувствительную область из графеноподобного слоя, зазор между анодом и катодом, выполненный из оксида кремния, который формируется с помощью опор из оксида кремния, отличающийся тем, что на подложке методом фокусированных ионных пучков формируется острийная структура, на которой методом плазмохимического травления формируется газочувствительный слой, выступающий в качестве анода, на верхнюю крышку устройства наносится графеноподобный слой, выступающий в качестве катода, а технологические отверстия расположены в углах устройства.
Предлагаемый объект поясняется фиг 1, 2, 3, где на фиг. 1 изображен датчик газа в разрезе, фиг. 2 показывает вид сверху без верхней крышки, фиг. 3 изображает датчик сверху с верхней крышкой.
Газовый датчик (Фиг. 1, 2) включает в себя подложку 1 из карбида кремния, на которой формируется острийная структура 2 методом фокусированных ионных пучков. На сформированной структуре 2 методом плазмохимического травления во фторидной плазме формируется газочувствительный графеноподобный слой 3, выполненный в качестве анода. Верхняя крышка 4 выполнена из карбида кремния, на которой формируется графеноподобный слой, выступающий в качестве катода 6. Опоры 5, сформированные из оксида кремния, обеспечивают зазор между анодом 3 и катодом 6. Ионизационная газовая ячейка образуется анодом 3, зазором и катодом 6. Газ попадает в датчик через технологические отверстия 7, расположенные в углах датчика.
Устройство работает следующим образом. Молекулы детектируемого газа попадают в датчик через технологические отверстия, расположенные по углам. При подаче напряжения между анодом 3 и катодом 6 возникает высокая напряженность электрического поля в ионизационной ячейке, которая образуется из газочувствительного элемента в виде острийных структур, покрытых графеноподобной пленкой 3, и верхнего контакта 6, который является графеноподобным слоем, образованным на верхней крышке устройства. Ионы газа проходят через чувствительную зону датчика и дают вклад в ионизационный ток, который, в свою очередь, влияет в снимаемое значение напряжения. У каждого детектируемого газа имеется характерное для него изменение напряжения, что позволяет идентифицировать газ. Электроны, двигаясь под действием электрического поля от катода к аноду, сталкиваются с газовыми молекулами вызывают их ионизацию.
3
2
2
Технико-экономические преимущества заявляемого устройства перед известными заключаются в том, что в разработке используются графеноподобные пленки, полученные комбинацией методов плазмохимического травления и фокусированных ионных пучков, что позволит снизить потребление энергии устройством на 30%, и сделать его в миниатюрном исполнении без потерь выходных характеристик, также устройство отличается повышенной селективностью и чувствительностью к молекулам газов, например, таких как NH, СО, NO, а также парам спиртов и НО и параметры функционирования устройства не зависят от посторонних факторов окружающей среды, таких как температура, влажность и течение газовых потоков.