ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ГАЗОВОГО ДАТЧИКА

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована в измерительных устройствах для контроля состава отходящих газов в промышленном оборудовании различного профиля, промышленных выбросах, измерения концентраций вредных и токсичных газов на производствах, экологического мониторинга.
Известен сенсор для анализа газообразных веществ, выполненный в виде диэлектрической подложки с нанесенными на нее металлическими взаимопроникающими гребенчатыми электродами, на которые нанесена пленка проводящего полимера, причем в качестве проводящего полимера используют смесь полисиланоанилина и полианилина в соотношении 9:1, и пленка модифицирована анионными комплексами металлов (RU 2088914, G01N 27/30, 27.08.97). Функционирование сенсора основано на протекании обратимых окислительно-восстановительных реакций и хемосорбции в чувствительном слое, в ходе которых меняется его проводимость. Контроль состава чувствительного слоя и температуры позволяет определить присутствие токсичных газов в воздухе, находящихся в смеси с другими газами, а также обеспечить требуемую чувствительность и стабильность сенсора. Однако известное устройство обладает недостаточной чувствительностью к парам хлорсодержащих органических соединений, в частности, полихлорбифенилов (ПХБ), диоксинов и дибензофуранов.
В качестве прототипа принят чувствительный элемент газового датчика, содержащий подложку, на одной из сторон которой расположена пленка на основе оксидного полупроводника с примесями оксидов металлов, а на другой стороне подложки нанесен металлический пленочный нагреватель, в качестве примесей использованы оксиды хрома, железа, никеля и титана, причем примеси расположены в поверхностном слое пленки, составляющем 5-35% ее толщины, при следующем соотношении компонентов, мас.%: оксид хрома 1,5-2,0; оксид железа 8,0-16,0; оксид никеля 1,0-2,0; оксид титана 0,5-1,0; оксидный полупроводник - остальное (RU 2011985, G01N 27/12, 30.04.94). Вышеуказанные вид примесей и их количественное соотношение позволяют осуществить селективный контроль значительного числа горючих газов и газов - продуктов горения природных топлив. Настройка на определенный компонент газовой среды осуществляется подбором каталитической примеси и температурного режима чувствительного элемента. При этом в области максимальной чувствительности полупроводниковой пленки к определенному газовому компоненту, электрическое сопротивление чувствительного элемента не обладает резкой температурной зависимостью, что обеспечивает устойчивые показания датчика при колебаниях температуры контролируемой газовой среды. Чувствительный элемент газового датчика имеет высокие стабильные рабочие характеристики во времени, требуемую чувствительность и избирательность к детектируемым газам. Недостатком известного элемента газового датчика является его низкая чувствительность к группе хлорсодержащих органических токсикантов, в частности, к диоксинам и дибензофуранам, не позволяющая определять их в концентрации на уровне предельно допустимых в целях экологического мониторинга.
Технический результат настоящей полезной модели заключается в повышении чувствительности газового датчика к парам хлорсодержащих органических токсикантов, в частности, диоксинов и дибензофуранов.
Технический результат достигается тем, что чувствительный элемент газового датчика состоит из диэлектрической подложки, на одной из сторон которой нанесена металлооксидная газочувствительная пленка, а на другой стороне подложки нанесен металлический пленочный нагреватель, газочувствительная пленка имеет толщину 5÷10 мкм и содержит каталитические модификаторы, в качестве которых использованы диоксид рутения, оксиды железа и меди при следующем массовом соотношении компонентов: диоксид рутения 0,2÷0,6%; оксид железа 1,0÷5,0%; оксид меди 0,5÷1,5%.
Преимущество предлагаемой полезной модели заключается в повышении чувствительности газового датчика к парам хлорсодержащих органических токсикантов, в частности, к диоксинам и дибензофуранам. Повышение чувствительности обусловлено использованием в качестве газочувствительной пленки двухфазных материалов на основе нанокристаллических оксидов металлов. Уникальность этих материалов определяется рядом их фундаментальных физических и химических свойств. Электропроводность таких систем зависит от высоты межкристаллитных барьеров и оказывается чрезвычайно чувствительной к состоянию поверхности в области температур 100-500°С, при которых на поверхности происходят окислительно-восстановительные реакции. Поверхность нанокристаллических оксидных систем обладает высокими адсорбционными свойствами и реакционной способностью, которые обусловлены наличием свободных электронов в зоне проводимости полупроводников, поверхностных и объемных кислородных вакансий, а также активного хемосорбированного кислорода. В отличие от простых полупроводниковых оксидов, в нанокомпозитах селективность процесса адсорбции и поверхностных реакций может регулироваться свойствами каталитического модификатора и его концентрацией. Модификаторы на основе диоксида рутения, оксида железа и оксида меди существенно повышают активность полупроводникового оксида в реакциях окисления - восстановления и тем самым увеличивают сенсорную чувствительность к хлорсодержащим органическим токсикантам, которые практически не реагируют с немодифицированными оксидными полупроводниками.
Устройство чувствительного элемента газового датчика поясняется на фиг.1 и 2.
На фиг.1 представлен вид чувствительного элемента газового датчика со стороны нанесения газочувствительной пленки. На фиг.2 представлен вид чувствительного элемента газового датчика с другой стороны, где нанесен металлический пленочный нагреватель.
Цифрами на рисунках обозначены:
1 - подложка
2 - электроды
3 - газочувствительная пленка
4 - пленочный нагреватель
5 - датчик температуры
Чувствительный элемент газового датчика содержит подложку 1, на одной из сторон которой между электродами 2 нанесена газочувствительная пленка на основе металлооксидного нанокомпозита 3, изготовленная по толстопленочной технологии, а на другой стороне подложки 1 нанесен металлический пленочный нагреватель 4, для контроля температурного режима чувствительного элемента он может быть снабжен датчиком 5 температуры, который устанавливается на той же стороне подложки, что и пленочный нагреватель 4.
Изготавливают чувствительный элемент следующим образом. На подложку с металлическим нагревателем наносят пасту металлооксидного нанокомпозита, сушат при температуре 100-200°С и выдерживают в токе чистого воздуха при температуре 400-500°С в течение 24 часов.
0
0
Работает чувствительный элемент следующим образом. Разогретый до рабочей температуры нагревателем 4 чувствительный элемент, расположенный на противоположной по отношению к нагревателю стороне подложки 1, обдувают анализируемым газом (или помещают в анализируемый газ). Внешний слой газочувствительной пленки активизирует процесс обратимой хемосорбции контролируемого газа. При этом с изменением концентрации контролируемого газа изменяется сопротивление металлооксидной газочувствительной пленки 3. По измеряемому значению сопротивления пленки судят о количественном содержании контролируемого газа. В соответствии с предлагаемой полезной моделью был изготовлен образец газового датчика и проведены его испытания. Испытания по количественному обнаружению имитатора хлорсодержащих органических токсикантов (диоксинов) - о-дихлорбензола - проведены с использованием сухого синтетического воздуха, в который периодически вводилась контролируемая концентрация имитатора. Уровень концентрации имитатора в воздухе задавался разбавлением с помощью электронных расходомеров насыщенных паров о-дихлорбензола, охлажденного до температуры от -15 до 0°С. Сенсорный сигнал измерялся с помощью полностью автоматизированной установки, использована оригинальная схема электронного устройства, позволяющего оптимизировать величину сенсорного сигнала и контролировать температуру микроэлектронного чипа. Для исключения потерь, связанных с адсорбцией имитатора, все газовые линии изготовлены из тефлоновых трубок диаметром 2 мм с использованием пластиковых соединений. Циклическая подача воздуха - газовой смеси проводилась с использованием электронных таймеров и контроллеров. Относительная погрешность определения имитатора не превышала 5% от величины сигнала. Следует отметить, что такие низкие погрешности измерения достигаются только при работе с синтетическим воздухом. Использование лабораторного воздуха в качестве газа носителя приводит к увеличению погрешности до 7-9% от величины измеряемого сигнала. Дрейф базовой линии полупроводниковых сенсоров в условиях непрерывного циклирования газов в течение недели не превышал 5% от величины измеряемого сигнала. На фиг.3 приведена калибровочная зависимость сигнала S сенсора, измеряемого как отношение G/G, от концентрации о-дихлорбензола в воздухе (G - величина электропроводности чувствительного слоя в отсутствии детектируемого газа в воздухе, G - величина электропроводности чувствительного слоя при наличии детектируемого газа). Фиг.4 иллюстрирует полученную в результате испытаний зависимость сигнала чувствительного элемента газового датчика от концентрации о-дихлорбензола. Полученная зависимость подтверждает стабильность отклика чувствительного элемента в условиях циклического изменения концентрации имитатора, при этом дрейф его базовой линии не превышает 1% сигнала на 0.5 ppm дихлорбензола.
Таким образом, реализация предлагаемой конструкции чувствительного элемента позволяет получить газовый датчик с повышенной чувствительностью к хлорсодержащим органическим токсикантам при высокой стабильности рабочих характеристик во времени.