УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ВОДОРОДА

Настоящая полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для определения концентрации водорода в различных газовых средах.
Известно устройство для обнаружения водорода (см. заявка JP 2012096965, МПК В01J 23/40, В01J 35/02, С01G 23/053, опубликована 24.05.2012), содержащее источник света, фотоприемник и чувствительный элемент в виде прозрачной проводящей подложки, на которую нанесен слой пористого оксида титана, содержащего в порах металлический катализатор, например, платину, или палладий, или золото, или серебро, или никель, или родий, или осмий, при этом источник света, фотоприемник и чувствительный элемент оптически соединены между собой.
Известное устройство определяет содержание водорода в окружающей среде по поглощению или отражению света, проходящего через чувствительный элемент. Недостатком известного устройства является сложность и длительность процесса дегазации чувствительного элемента после каждого его использования.
Известно устройство для обнаружения водорода (см. заявка US 2012040469, МПК G01N 21/64, С01N 21/76, G01N 31/00, опубликована 16.02.2012), включающее источник ультрафиолетового излучения, фотоприемник и чувствительный элемент в виде подложки, на которую нанесен материал, адсорбирующий водород, и термочувствительный люминофор. В качестве материала, адсорбирующего водород, использован металл, выбранный из группы: платина, палладий, никель, лантан, алюминий, или их комбинации. Работа устройства основана на регистрации изменения люминесценции люминофора под действием теплоты, выделяющейся при экзотермической абсорбции водорода.
Недостатком известного устройства является недостаточное быстродействие.
Известно устройство для обнаружения водорода (см. Г.Г. Ковалевская, Л. Кратена, М.М. Мередов, А.М. Маринова, С.В. Слободчиков. Письма в ЖТФ, т. 15, №12, с. 55-58, 1989), совпадающее с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятое в качестве прототипа. Известное устройство-прототип включает источник ближнего инфракрасного света, измеритель электрического тока или напряжения и чувствительный элемент в виде пластины монокристаллического фосфида индия InР n-типа проводимости, на первую поверхность которой последовательно нанесены слой анодного оксида индия и фосфора, слой палладия и первый омический электрод, а на вторую поверхность пластины нанесен второй электрод, при этом источник видимого света оптически соединен со слоем палладия, а первый и второй электроды подключены к измерителю электрического тока.
Недостатком известного устройства для обнаружения водорода является достаточно большие токи утечки по поверхности чувствительного элемента, что приводит к снижению чувствительности устройства.
Задачей настоящей полезной модели являлась разработка устройства для обнаружения водорода, в котором были уменьшены токи утечки по поверхности чувствительного элемента.
3
4
Поставленная задача решается тем, что устройство для обнаружения водорода включает источник видимого или ближнего ИК света, измеритель электрического тока и чувствительный элемент в виде пластины из монокристаллического фосфида индия InР n-типа проводимости, на центральную область первой поверхности которой последовательно нанесены слой анодного оксида индия и фосфора, слой палладия и первый омический электрод, на периферийную область первой поверхности нанесен диэлектрический слой из нитрида кремния SiN, а на вторую поверхность пластины нанесен второй омический электрод, при этом источник видимого или ближнего ИК света оптически соединен со слоем палладия, а первый и второй омические электроды подключены к измерителю электрического тока.
Новым в настоящей полезной модели является нанесение слоя анодного оксида индия и фосфора и слоя палладия на центральную область первой поверхности пластины из монокристаллического фосфида индия и нанесение диэлектрического слоя из нитрида кремния на ее периферийную область.
16
17
-3
Пластина из монокристаллического InР может быть легирована оловом до концентрации n основных носителей 10-10 см.
Первый электрод может иметь в плане крестообразную форму.
Работа устройства для обнаружения газообразного водорода основана на изменении фототока чувствительного элемента в присутствии водорода.
Настоящая полезная модель поясняется чертежом, где:
на фиг. 1 схематически показано в поперечном разрезе настоящее устройство для обнаружения водорода;
на фиг. 2 приведена зависимость величины фототока I от времени при импульсной подаче потока водорода (τ - время восстановления сигнала);
на фиг. 3 показана зависимость величины фототока I от времени при многократной импульсной подаче потока водорода;
на фиг. 4 приведена фотография опытного образца настоящего устройства для обнаружения водорода.
16
17
3
3
4
Настоящее устройство для обнаружения водорода (см. фиг. 1) включает источник 1 видимого или ближнего ИК света, измеритель 2 электрического тока и чувствительный элемент 3 в виде пластины 4 из монокристаллического фосфида индия InР n-типа проводимости, легированной, например, оловом до концентрации n основных носителей 10-10 см. На центральную область 5 первой поверхности 6 пластины 4 последовательно нанесены слой 7 анодного оксида индия и фосфора, слой 8 палладия и первый омический электрод 9 из золота. На периферийную область 10 первой поверхности 6 пластины 4 нанесен диэлектрический слой 11 из нитрида кремния SiN. На вторую поверхность 12 пластины 4 нанесен второй омический электрод 13, например из последовательно нанесенных слоев Сr/АuGе/Аu. Источник 1 видимого света оптически соединен со слоем 8 палладия, а первый электрод 9 и второй электрод 13 подключены к измерителю 2 электрического тока.
Настоящее устройство для обнаружения водорода работает следующим образом:
Устройство устанавливают рядом с контролируемым объектом и включают питание источника 1 видимого или ближнего ИК света (например, светодиода), излучение которого направляют на чувствительный элемент 3. При этом в измерителе 2 появляется фототок за счет его генерации в пластине 4, При появлении водорода в окружающей среде происходит изменение величины фототока в измерителе 2. Это является сигналом присутствия водорода. Величина электрического тока характеризует концентрацию водорода.
16
-3
2
3
4
Пример. Был изготовлен опытный образец устройства для обнаружения водорода (см. фиг. 4). Устройство включало источник ближнего ИК света в виде светодиода (длина λ волны излучения 0,9 мкм, марка АЛ-107) и измеритель электрического тока в виде электрометра марки 6517 В ELECTROMETR/HIGH RESISTANCE METER. Чувствительный элемент был выполнен в виде пластины из монокристаллического фосфида индия InP ориентации (100) n-типа проводимости, легированной, оловом с концентрацией n основных носителей 10 см. На центральную область площадью 1×1 мм первой поверхности пластины были последовательно нанесены слой анодного оксида индия и фосфора толщиной 1000  слой палладия толщиной 300  и методом термовакуумного распыления первый омический электрод из золота. На периферийную область первой поверхности пластины был нанесен диэлектрический слой из нитрида кремния SiN толщиной 900 . На вторую поверхность пластины был нанесен второй омический электрод из последовательно нанесенных слоев Cr/AuGe/Au. На чувствительный элемент воздействовали излучением светодиода и подавали импульсный поток водорода длительностью 3 секунды при содержании g водорода 1% в воздухе. Были сняты кинетические изменения фототока I чувствительного элемента при однократной подаче водорода (см. фиг. 2) и многократной подаче водорода (см. фиг. 3). Время реакции устройства на подачу водорода было равно 5 секундам, время восстановления чувствительного элемента составило менее 10 секунд. Было проведено также исследование чувствительности устройства к метану и гелию. Обнаружено, что практически отсутствует чувствительность устройства к этим газам. Проведенные эксперименты показали, что настоящее устройство имеет чувствительность, превышающую на порядок чувствительность устройства-прототипа.