ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ДАТЧИК ГАЗОВ

Полезная модель относится к устройствам анализа примесей токсичных и взрывоопасных газов в воздушной среде с применением твердотельных датчиков газов, и может быть использована для контроля предельно-допустимых концентраций газов в горнодобывающей, химической и металлургической отраслях промышленности.
Известна конструкция датчика газов, в которой для предотвращения потерь тепловой энергии подложка газочувствительного элемента датчика изолирована от корпуса при помощи воздушной прослойки таким образом, что газочувствительный элемент свободно висит на проволочных выводах, выполняющих также функцию электрических межсоединений [1, 2].
Недостатком данной конструкции является низкая стойкость к механическим воздействиям, таким как удары, линейное ускорение, вибрация. Во время механического удара после остановки внешнего корпуса относительно массивная подложка газочувствительного элемента датчика продолжает движение по инерции и может оторвать соединительные вывода, которые изготовляются из проволоки малого сечения для уменьшения утечки тепловой энергии по ним от подложки к корпусу.
Полезная модель направлена на повышение стойкости датчика к механическим воздействиям при сохранении низкой электрической мощности, потребляемой им для нагрева газочувствительного элемента до рабочей температуры в процессе функционирования.
Это достигается тем, что крепление подложки в корпус осуществляется с помощью вспенивающегося при термообработке компаунда с низкой теплопроводностью, приготовленного на основе жидкого стекла. Данный компаунд в первоначальном состоянии обеспечивает надежное крепление подложки к корпусу в процессе ультразвуковой приварки выводов. При последующей температурной обработке при температуре превышающей 100°С компаунд вспенивается и приподнимает подложку над дном корпуса, выводя их из непосредственного теплового контакта. После окончания термообработки компаунд увеличивается в объеме и представляет собой затвердевшую пену из заполненных газом пузырьков с тонкими стенками, обладающую высокой механической прочностью и низкой теплопроводностью.
Сущность полезной модели поясняется на фиг.1, где схематично показан датчик после термообработки и вспенивания компаунда, поперечный разрез.
Датчик состоит из корпуса 1, внешних электрических выводов корпуса 2, внутренних проволочных выводов 3, соединяющих контактные площадки выводов корпуса и контактные площадки газочувствительного элемента 4 на подложке из кремния или другого материала, вспененного после термообработки компаунда 5, приготовленного на основе жидкого стекла. Для защиты внутренних элементов датчика используется сетчатая крышка 6 из нержавеющей
стали с размером ячейки 0,094 мм.
Работа датчика происходит следующим образом.
На встроенный нагреватель газочувствительного элемента 4 подается электрическая мощность, которая нагревает его до температуры порядка 500°С, при которой происходит десорбция и удаление адсорбированных частиц с поверхности полупроводникового газочувствительного слоя и регенерация газовой чувствительности. Затем подаваемая на встроенный нагреватель электрическая мощность снижается для того, чтобы температура газочувствительного элемента 4 снизилась до уровня, при котором адсорбция измеряемого газа протекает наиболее эффективно. Конкретное значение температуры является характерным для каждого газа. Адсорбция газа поверхностью полупроводникового чувствительного слоя приводит к изменению его электросопротивления, которое пропорционально концентрации регистрируемого газа в окружающей среде. Температура газочувствительного элемента 4 может с высокой точностью контролироваться либо при помощи специально встроенного термочувствительного элемента, либо по сопротивлению встроенного нагревателя. По истечении отрезка времени, необходимого для насыщения поверхности полупроводникового газочувствительного слоя адсорбированными частицами, окончание которого характеризуется стабилизацией его сопротивления, производится регистрация величины сопротивления, по которой можно судить о концентрации измеряемого газа в окружающей среде. По окончании цикла измерения снова проводится цикл регенерации газовой чувствительности и процесс измерения повторяется.
Предлагаемая конструкция обеспечивает значительное повышение стойкости датчика к механическим воздействиям при сохранении низкой электрической мощности, потребляемой им в процессе функционирования.
1. Shinji Yagawara, Wasaburo Ohta, US Patent 5147523.
2. Shinji Yagawara, Junji Manaka, Wasaburo Ohta, US Patent 5003812.