ГАЗОВЫЙ СЕНСОР НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК

Предлагаемая полезная модель относится к области газовых сенсоров, а более конкретно к сенсорным устройствам ионизационного типа и может быть использован при производстве сенсоров, изготавливаемых по полупроводниковой микроэлектронной технологии, предназначенных для детектирования и измерения газовых параметров в воздушный средах.
Известен ионизационный газовый сенсор с чувствительным элементом на основе углеродных нанотрубок [Modi A, Koratkar N, Lass Е, Wei В, Ajayan P.M. "Miniaturized Gas Ionization Sensors using Carbon Nanotubes", Nature, 2003, №424, pp.171-174] содержащий катод, выполненный из алюминия, подложку, выполненную из оксида кремния, анод, выполненный из углеродных нанотрубок, выращенных методом плазмохимического осаждения из газовой фазы, диэлектрический зазор между анодом и катодом, одиночный канал для циркуляции газа.
Данная конструкция ионизационного газового сенсора позволяет детектировать присутствие газа определенного сорта. При подаче напряжения между анодом и катодом, молекулы газа, попавшие в одиночный канал, переходят из свободного состояния в возбужденное (при достижении критической энергии ионизации), и, как следствие, происходит изменение силы тока, при этом, каждому сорту газа соответствует определенное напряжение пробоя, а применение углеродных нанотрубок, обладающих малым радиусом острия, в качестве материала катода, позволяет повысить напряженность поля в зазоре между анодом и катодом.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемой полезной модели, являются:
а) катод;
б) подложка;
б) анод;
в) углеродные нанотрубки;
г) диэлектрический зазор.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: высокие рабочие напряжения, большое расстояние между анодом и катодом, одиночный канал для циркуляции газов.
+
+
Функциональным аналогом заявляемого объекта является газовый сенсор ионизационного типа с чувствительным элементом на основе углеродных нанотрубок [Kim S. «CNT sensors for detecting gases with low adsorption energy by ionization», Sensors, 2006, vol. 6, №5, pp.503-513,] содержащий подложку, выполненную из высоколегированного кремния n-типа, со сформированным на ней контактным слоем, выполненным из титана, обеспечивающим контакт к катоду, катод, выполненный из углеродных нанотрубок, диэлектрический зазор, выполненный из органического термостойкого стекла покрытого анодированным алюминием, анод, выполненный из высоколегированного кремния р-типа, каналы для циркуляции газа, расположенные с торцевых боковых сторон газового сенсора.
Данная конструкция ионизационного газового сенсора позволяет детектировать присутствие газа определенного сорта, при создании разности потенциалов между анодом и катодом, где в сильном электрическом поле электроны, возникшие при движении от катода к аноду, разгоняются до энергии, достаточной для ионизации молекул газа, при этом сорт газа попавшего в зазор через каналы для циркуляции газа, определяется по величине тока и напряжения пробоя.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого объекта, являются:
а) подложка;
б) контактный слой;
в) катод;
г) углеродные нанотрубки;
д) диэлектрический зазор;
е) анод;
ж) каналы для циркуляции газа, расположенные торцевых сторон газового сенсора.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, является выбор материала контактного слоя, использование органического материала для обеспечения диэлектрического зазора, применение углеродных нанотрубок в качестве катода и его быстрая деградация при пробое газа, а также большое расстояние между анодом и катодом.
Из известных аналогов наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является «Ионизационный газовый сенсор на основе углеродных нанотрубок» [РФ Патент №144097 от 24 декабря 2013 года], содержащий подложку, выполненную из проводящего или полупроводникового материала, со сформированным контактным слоем, выполненным из проводящего материала, обеспечивающим контакт к аноду, анод, выполненный из углеродных нанотрубок, катод, выполненным из проводящего или полупроводникового материала, опоры, выполненными из диэлектрического неорганического материала, обеспечивающие зазор между анодом и катодом, каналы для циркуляции газа.
Данный газовый сенсор позволяет повысить напряженность поля и снизить рабочие напряжения за счет уменьшенного зазора между анодом и катодом, а также применение массива углеродных нанотрубок в качестве анода позволяет повысить стабильности работы сенсора за счет снижения вклада электронов инжектированных с углеродных нанотрубок при детектировании тока.
Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого объекта, являются:
а) подложка;
б) контактный слой;
в) анод;
г) катод;
д) использование углеродных нанотрубок в качестве материала анода;
е) опоры;
ж) зазор между анодом и катодом;
з) каналы для циркуляции газа.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: слабая селективность при детектировании газа в смеси.
Технический результат предлагаемой полезной модели состоит повышение селективности работы газового сенсора.
Технический результат достигается за счет: формирования на единой подложке дополнительной сорбционной ячейки с углеродными нанотрубками замкнутыми между верхним и нижним электродами, с целью создания дополнительного электрического сопротивления из массива углеродных нанотрубок, что позволит при детектировании газов одновременно контролировать несколько сигналов, а именно напряжение пробоя в ионизационной ячейке, и изменение электрической проводимости углеродных нанотрубок в присутствии газов в сорбционной ячейке, и как следствие повысить селективность работы газового сенсора.
Для достижения необходимого технического результата в газовый сенсор на основе углеродных нанотрубок, состоящий из подложки со сформированным на ней контактным слоем, выполненным из проводящего материала, обеспечивающим контакт к аноду, анода, выполненного из углеродных нанотрубок, катода, выполненного из проводящего материала, опор, выполненных из диэлектрического неорганического материала, обеспечивающих зазор между анодом и катодом, каналы для циркуляции газа, отличающийся тем, что вводится верхняя крышка, выполненная из полупроводникового или диэлектрического материала, на которой формируется катод и верхний электрод, выполненные из проводящего материала, нижний электрод, выполненный из проводящего материала, сорбционный газочувствительный слой, выполненный из углеродных нанотрубок, образующий сопротивление между нижним и верхним электродами.
На Фиг. 1, 2, 3 приведены разрезы сенсора газов.
Газовый сенсор (Фиг. 1, 2) сдержит подложку 1, выполненную из полупроводникового материала или диэлектрического материала, со сформированным контактным слоем 2, выполненным из проводящего материала, на котором выращивается массив углеродных нанотрубок, выступающий в качестве анода 3, верхнюю крышку 5, выполненную из полупроводникового материала или диэлектрического материала, на которой сформирован катод 6, при этом зазор между анодом 3 и катодом 6, обеспечивается опорами 8, выполненными из диэлектрического неорганического материала выполненный из проводящего материала. Анод 3, зазор, образованным опорами 8, и катод 6 образуют ионизационную газовую ячейку. Также на подложке 1 содержится нижний электрод 4, выполненный из проводящего материала, верхний электрод 7, выполненный из проводящего материала, а в контакте между нижним электродом 4 и верхним электродом 7, расположен сорбционный газочувствительный слой 9, выполненный из углеродных нанотрубок. Нижний электрод 4, сорбционный газочувствительный слой 9 и верхний электрод 7 образуют сорбционную ячейку. Попадание газа в сенсор осуществляется через каналы для циркуляции газов 10, расположенные с торцевых сторон газового сенсора (Фиг. 3).
Работает газовый сенсор следующим образом.
Молекулы газа, попадают в сенсор через каналы, расположенные с торцевых сторон газового сенсора. В ионизационной ячейке, образованной контактным слоем 2, анодом, выполненным из углеродных нанотрубок 3, зазором, образованным диэлектрическими опорами 8, и катодом 6, при подаче напряжения между анодом 3 и катодом 6 возникает высокая напряженность электрического поля. Для каждого газа существует определенное значения напряжения пробоя, связанное законом Пашена с концентрацией газа (давлением). Углеродные нанотрубки вследствие их малого радиуса (15-40 нм) и высокого аспектного отношения (1:100 и выше), создают искажение электрического поля с высокой напряженностью поля вблизи своих вершин. Повышению напряженности электрического поля также способствует уменьшение расстояния между анодом 3 и катодом 6. Электроны, двигаясь под действием электрического поля от катода к аноду сталкиваются с газовыми молекулами вызывают их ионизацию.
В сорбционной ячейке, образованной нижним электродом 4, верхним электродом 7, и сорбционным газочувствительным слоем 9, выполненного из углеродных нанотрубок, происходит адсорбция газовых атомов и молекул на углеродные нанотрубки с образование устойчивого (по энергиям связи) соединения. В зависимости от типа газа происходит перераспределение зарядов между адсорбированным газом и углеродными нанотрубками, и, как следствие, изменение проводимости, где определенному сорту газа соответствует свое изменение проводимости. При этом газы с низкой адсорбционной энергией не вызывают изменения проводимости углеродных нанотрубок. Таким образом, одновременный контроль величины напряжения пробоя в ионизационной ячейке, и величины изменения сопротивления в сорбционной ячейке позволяет повысить селективность работы газового сенсора и распознавать газы в смесях. Контроль силы тока в ионизационной ячейке позволяет поддерживать стабильную работу прибора без перегрева и деградации составных элементов газового сенсора.
Проведя калибровку газового сенсора на эталонные газы различных сортов (или газовые смеси) для установления величины напряжения пробоя (ионизации) в ионизационной ячейке, а также соответствующего данному сорту газу (или газовой смеси) изменения сопротивления, становиться возможным повысить селективность работы газового сенсора при работе как с отдельными газами, так и с детектированием газов в смесях.
Таким образом, предлагаемое устройство представляет собой газовый сенсор на основе углеродных нанотрубок, позволяющий детектировать как отдельные газы различного сорта, так и наличие газов в смесях.
Таким образом, по сравнению с аналогичными устройствами, предлагаемый газовый сенсор позволяет повысить селективность работы за счет формирования дополнительной сорбционной ячейки с углеродными нанотрубками образующими сопротивление между двух дополнительных электродов и, как следствие, повысить воспроизводимость определения сортов газа в смеси.