Гибридный модуль электронного носа

Полезная модель относится к аналитическому приборостроению, а именно к средствам селективного обнаружения и распознавания многокомпонентных газовых сред, а именно к газоанализаторам на основе твердотельных газочувствительных матриц, и может быть использована для мониторинга окружающей среды, обеспечения безопасности, в технологических устройствах контроля качества исходного сырья, технологических устройствах контроля запахов, возникающих при технологических процессах.
Известно устройство [Seong М. Cho, Young Jun Kim, Gwi Suk Heo, Sang-Man Shin. Two-step preconcentration for analysis of exhaled gas of human breath with electronic nose. Sensors and Actuators В 117 (2006) 50-57], включающий блок предварительной концентрации газа-аналита и электронный нос, в котором блок предварительной концентрации используется для увеличения концентрации целевых газов-аналитов, входящих в состав выдыхаемого человеком воздуха. Блок предварительной концентрации содержит два адсорбера, причем каждый из них заполнен сорбентом, адсорбирующим газ-аналит и в слабой степени адсорбирующим пары воды. Процесс проводится следующим образом. Сначала воздух, содержащий газ-аналит и высокую концентрацию паров воды, пропускают через первый адсорбер, в котором поглощается газ-аналит и, в меньшей степени, пары воды. На втором этапе проводят десорбцию газа с первого адсорбера и адсорбцию газа на втором адсорбере. При этом на втором адсорбере сорбируется газ-аналит и, меньшей степени, пары воды. Таким образом, применение такой двухстадийной схемы позволяет очень значительно снизить концентрацию паров воды в газе, попадающем в электронный нос, и увеличить таким образом полезный сигнал электронного носа. Недостатком этого устройства являются его большие размеры, не позволяющие быстро нагревать его с помощью внешнего нагревателя, а также большой паразитный объем устройства. Оба эти фактора приводят к уменьшению концентрации газа-аналита в электронном носе, соединенном с предварительным концентратором.
2
Известно также устройство, предложенное в работе [F. Jamesa, P. Breuil, С. Pijolat, М. Camara, D. Briand, A. Bart, R. Cozic. Development of a MEMS preconcentrator for Micro-Gas Chromatography Analyses. Procedia Engineering 87 (2014) 500-503]. Это устройство состоит из предварительного концентратора и миниатюрного газового хроматографа, используемого в качестве электронного носа. Предварительный концентратор изготовлен по кремниевой МЭМС технологии, его размер равен 20×85 мм. Недостатком конструкции является то, что предварительный концентратор и миниатюрный газовый хроматограф выполнены с использованием различных технологических подходов, с применением кремниевой МЭМС технологии для изготовления микронагревателя и хроматографической колонки и с использованием их ручного заполнения сорбентом. Кроме того, эти два компонента устройства являются полностью самостоятельными устройствами, что также увеличивает паразитный объем устройства и уменьшает его чувствительность и увеличивает порог обнаружения целевого газа.
2
2
2
Известно техническое решение, опубликованное в работе [Ming-Yee Wong, Wei-Rui Cheng, Мао-Huang Liu, Wei-Cheng Tian, Chia-Jung Lu. A preconcentrator chip employing m-SPME array coated with in-situ-synthesized carbon adsorbent film for VOCs analysis. Talanta 101 (2012), pp. 307-313]. Это устройство состоит из микрокамеры размером 14×4 мм. Внутри этой камеры сформированы микроиглы, которые в процессе изготовления покрывают слоем целлюлозы. Сорбент формируется из этой целлюлозы при ее пиролизе в чистом азоте. При этом образуется слой активированного угля с удельной поверхностью около 300 м/г. Эту камеру изготавливают по кремниевой МФМС технологии с использованием глубокого анизотропного травления кремния (DRIE). После изготовления камеры ее помещают на нагреватель, выполненный с использованием вакуумного напыления, фотолитографии и других технологических приемов, характерных для микроэлектроники. Недостатком этой конструкции является высокая сложность ее изготовления. В процессе изготовления используются дорогостоящие операции: фотолитография, глубокое анизотропное травление кремния, и т.д., в использовании которых, на самом деле, нет необходимости. Так как размеры полученного устройства (14×4 мм) велики и нехарактерны для современной микроэлектроники.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является решение, предложенное в работе [М. Leidingera, Т. Sauerwald,  Miniaturized integrated gas sensor systems combining metal oxide gas sensors and pre-concentrators. Procedia Engineering 168 (2016), pp. 293-296] и принятое нами в качестве прототипа. Устройство, предложенное в этой работе, состоит из двух сенсорных элементов, выполненных по технологии кремниевых МЭМС и изготовленных швейцарской компанией SGX, и предконцентратора, изготовленного также по технологии кремниевых МЭМС. При этом чувствительный материал сенсоров нанесен на микронагреватели методом капельного нанесения, а сорбент размещен в углублении предконцентратора. При этом конструкция предконцентратора исключает возможность того, чтобы весь газовый поток, попадающий в полость устройства, полностью насыщался газом-аналитом, десорбированным с сорбента. Значительная часть газового потока проходит мимо сорбента. Кроме того, применение разнородных технологий при изготовлении устройства-прототипа: технологии кремниевых МЭМС для микронагревателей сенсоров, технологии объемного травления кремния для «корзинки» предконцентратора, технологии капельного нанесения для чувствительных слоев сенсоров и технологии «укладывания» гранул сорбента в корзинку микронагревателя для предконцентратора, - делают изготовление этого устройства крайне сложным.
Задачей полезной модели является создание устройства, обеспечивающего устранение недостатков прототипа.
Технический результат, получаемый с использованием настоящего устройства, состоит в минимизации паразитного объема устройства и в повышении за счет этого величины отклика сенсоров, входящих в состав электронного носа при существенном упрощении его изготовления за счет использования одной и той же печатной технологии и керамической МЭМС как для изготовления микронагревателей сенсоров и предварительного концентратора, так и для нанесения адсорбционных и газочувствительных слоев.
Технический результат достигается тем, что в гибридном модуле электронного носа, включающем блок предварительной концентрации газа-аналита, выполненный по технологии печати, и матрицу газовых сенсоров, расположенную в едином корпусе с блоком предварительной концентрации газа-аналита, матрица газовых сенсоров представляет собой группу из не менее чем двух микронагревателей, выполненных в виде тонких керамических пленок толщиной 5-30 мкм, закрепленных на жесткой рамке из того же керамического материала, с нанесенными на них микронагревателями и газочувствительными слоями. При этом блок предварительной концентрации газа-аналита представляет собой пластину из керамического материала, на одной стороне которой выполнен нагреватель, изготовленный методом струйной или аэрозольной печати вязкой жидкостью, являющейся взвесью частиц с металлической проводимостью размером 2-30 нм в растворителе с вязкостью 1-1000 мПа⋅с, и слой полимерного сорбента, имеющего сродство к газу-аналиту. При этом микронагреватели газовых сенсоров сформированы на тонкой керамической пленке толщиной 5-30 мкм, натянутой на рамку из керамики большей толщины, выполненной из того же материала, что и мембрана, при этом микронагреватели, имеющие форму меандра, и контакты к газочувствительному слою нанесены на поверхность керамической пленки методом струйной или аэрозольной печати вязкой жидкостью, являющейся взвесью частиц с металлической проводимостью размером 2-30 нм в растворителе с вязкостью 1-1000 мПа⋅с, а газочувствительный слой нанесен на керамическую пленку поверх микронагревателя и контактов.
Полезная модель поясняется схемой гибридного модуля электронного носа, представленной на фиг. 1.
Гибридный модуль электронного носа включает матрицу 1 газовых сенсоров, представляющую собой группу из не менее чем двух микронагревателей 2, выполненных в виде тонких керамических пленок толщиной 5-30 мкм, закрепленных на жесткой рамке из того же керамического материала, с нанесенными на них резисторами 3 и газочувствительными слоями.
Микронагреватели 2 изготавливаются следующим образом. В качестве основы микронагревателей 2 используется прямоугольная пластина из керамики с предварительно изготовленными отверстиями. В случае, представленном на фиг. 1, диаметр отверстий составляет 3 мм, а толщина керамической пластины равна 0,5 мм. На поверхность пластины с отверстиями с помощью стекла приклеивают тонкую керамическую пленку толщиной 5-30 мкм, выполненную из того же керамического материала, что и материал пластины. В качестве материала пленки и пластины может использоваться алюмооксидная керамика, стеклокерамика (LTCC) или другой керамический материал. При этом температурные коэффициенты линейного расширения керамики и стекла, используемого для приклейки, не должны отличаться более чем не 10%. Микронагреватели 2 наносят на поверхность тонкой керамической пленки методом струйной или аэрозольной печати чернилами, содержащими наночастицы платины.
Устройство включат в себя также блок 4 предварительной концентрации газа-аналита. При этом блок 2 предварительной концентрации газа-аналита представляет собой пластину из керамического материала, на одной стороне которой выполнен нагреватель, изготовленный методом струйной или аэрозольной печати вязкой жидкостью, являющейся взвесью частиц с металлической проводимостью размером 2-30 нм в растворителе с вязкостью 1-1000 мПа⋅с, и слой полимерного сорбента, имеющего сродство к газу-аналиту.
С целью минимизации паразитного объема группа микронагревателей 2 и блок 4 предварительной концентрации газа-аналита выполняются планарными с тем, чтобы минимизировать объем газа, находящегося в контакте с ними. Кроме того, с той же целью размер блока 4 предварительной концентрации и размер группы микронагревателей 2 выбирают в интервале от 5 до 20 мм по каждой из сторон устройств прямоугольной формы.
Матрицу 1 газовых сенсоров и блок 4 предварительной концентрации газа-аналита помещают в общий корпус, обеспечивающий герметизацию устройства и выполненный таким образом, чтобы минимизировать свободный объем газа, не занятый матрицей 1 газовых сенсоров и блоком 4 предварительной концентрации.