ДАТЧИК ДЛЯ СОВМЕСТНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРОВ ВОДЫ И СЕРОВОДОРОДА И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
SENSOR FOR JOINT DETECTION OF WATER VAPOUR AND HYDROGEN SULPHIDE AND METHOD OF MAKING SAID SENSOR

Изобретение относится к газовому анализу, в частности к датчикам контроля содержания водяных паров и сероводорода в воздухе. Датчик может быть использован для контроля влажности и содержания сероводорода в технологических газовых средах, в воздухе помещений различного назначения (производственных, жилых, административных и общественных зданий, складов сырья и готовой продукции и т.д.). Также для автоматического мониторинга атмосферы, индивидуального портативного (карманного) средства измерения влажности воздуха, а также измерения содержания сероводорода в воздухе.
Известен датчик газообразного сероводорода и способ его изготовления (РФ Патент №2184957 от 2001.05.25, бюл. №19 от 2002.07.10, G01N 27/12). Этот датчик используется для определения сероводорода в воздушной среде, который состоит из диэлектрической подложки, газочувствительного слоя и электродов, нанесенных поверх газочувствительного слоя. В качестве диэлектрической подложки используется боратно-висмутатное стекло состава: оксид висмута(III) - 70%, оксид бора(III) - 30%.
Недостатками этого датчика является то, что применение двухстадийной модификации делает способ изготовления датчика длительным по времени и трудоемким. Нанесение контактов поверх чувствительного слоя приводит к разрушению его структуры, что в свою очередь приводит к нарушению точностных характеристик датчика.
Наиболее близким техническим решением является датчик для контроля влажности воздуха (РФ Патент №2365908 от 2008.02.28, бюл. №24, 2009.08.27 G01N 27/12).
Этот датчик содержит диэлектрическую подложку из висмутатно-боратного стекла, газочувствительного слоя и электрических контактов, нанесенных поверх газочувствительного слоя.
Датчик влажности изготовлен путем формирования на диэлектрической подложке из боратно-висмутатного стекла газочувствительного слоя, последовательным травлением боратно-висмутатного стекла в ортофосфорной кислоте с получением осадка и его модификации с последующей сушкой. На подложку наносят контакты, в качестве подложки используют стекло состава:
оксид висмута(III) - 70%,
оксид молибдена(VI) - Х%,
оксид бора(III) - (30-Х)%, где Х=0,5-7,
модификацию осадка проводят с помощью раствора парамолибдата аммония и перекиси водорода. Полученную структуру сушат при 120-140°С в течение 2 ч.
Недостатками этого датчика являются модификация пероксидным комплексом, а также малая стабильность датчика.
Техническим результатом изобретения является разработка датчика на одновременное определение содержания сероводорода и паров воды в воздушной среде, а также увеличение стабильности результатов измерения.
Технический результат достигается тем, что датчик содержит диэлектрическую подложку из висмутсодержащего, с добавлением оксида германия, газочувствительный слой, чувствительный как к парам воды, так и к содержанию сероводорода в воздушной среде, электрические контакты. Подложка изготавливается из висмутсодержащего стекла состава:
оксид висмута(III) - 70%,
оксид молибдена(VI) - 3-7%,
оксид германия(IV) - 4-17%,
оксид бора(III) - 6-21%.
Датчик изготовлен путем формирования на диэлектрической подложке из висмутсодержащего стекла газочувствительного слоя, последовательного травления висмутсодержащего стекла в ортофосфорной кислоте с получением осадка и его модификации с последующей сушкой. На подложку наносят контакты.
Модификацию осадка проводят с помощью раствора гептамолибдата аммония методом аэрозольного распыления. На диэлектрической подложке последовательно формируются две зоны. С целью получения области чувствительной к сероводороду полученную структуру сушат при 100-120°С в течение 2 ч, а затем отжигают при 400-500°С в течение 1 ч. С целью получения области чувствительной к парам воды полученную структуру сушат при температуре при 120-140°С в течение 2 ч.
Пример 1
Датчик содержит диэлектрическую подложку из висмутсодержащего стекла состава:
оксид висмута(III) - 70%,
оксид молибдена(VI) - 3%,
оксид германия(IV) - 4%,
оксид бора(III) - 23%.
С закрепленными на подложке электрическими контактами, между которыми сформирован газочувствительный слой.
Слой газочувствительного вещества представляет собой гетероструктуру, полученную путем травления висмутсодержащего стекла в ортофосфорной кислоте при t=100°C в течение 15 мин с получением осадка и последующей его одностадийной обработкой с помощью раствора гептамолибдата аммония. Обработка осадка, полученного в результате модифицирования гептамолибдатом аммония, проводится последовательно при двух режимах. Для получения области чувствительной к парам воды сушка проводится при температуре 120-140°С в течение 2 ч, для получения области чувствительной к сероводороду сушка проводится при 100-120°С в течение 2 ч, а затем отжиг при 400-500°С в течение 1 ч.
3
3
Измерение характеристик датчика проводили на переменном токе частотой 1 кГц с помощью иммитансометра Е7-8. Аналитическим сигналом служит изменение электрической проводимости (Δσ) газочувствительного слоя под действием различного содержания паров воды (от 3,37 до 22,51 г/м) в газовой фазе. При этом Δσ изменялась от 1,50 до 34,00 мкСм. А также изменение электрической проводимости под действием различного содержания паров сероводорода (от 6,11 до 61,1 мг/м) в газовой фазе. При этом Δσ изменялась от 0,072 до 0,19 мкСм.
Пример 2
Датчик содержит диэлектрическую подложку из висмутсодержащего стекла состава:
оксид висмута(III) - 70%,
оксид молибдена(VI) - 3%,
оксид германия(IV) - 7%,
оксид бора(III) - 20%.
С закрепленными на подложке электрическими контактами, на которой сформирован газочувствительный слой.
3
3
Значение Δσ под действием различного содержания паров воды (от 3,37 до 22,51 г/м) в газовой фазе изменялось от 1,50 до 37,00 мкСм. Δσ под действием различного содержания паров сероводорода (от 6,11 до 61,1 мг/м) в газовой фазе изменялась от 5,10 до 15,00 мкСм.
Пример 3
Датчик содержит диэлектрическую подложку из висмутсодержащего стекла состава:
оксид висмута(III) - 70%,
оксид молибдена(VI) - 3%,
оксид германия(IV) - 17%,
оксид бора(III) - 10%.
С закрепленными на подложке электрическими контактами, на которой сформирован газочувствительный слой.
3
3
Значение Δσ под действием различного содержания паров воды (от 3,37 до 22,51 г/м) в газовой фазе изменялось от 1,40 до 30,00 мкСм. Δσ под действием различного содержания паров сероводорода (от 6,11 до 61,1 мг/м) в газовой фазе изменялась от 53,00 до 152 мкСм.
Пример 4
Датчик содержит диэлектрическую подложку из висмутсодержащего стекла состава:
оксид висмута(III) - 70%,
оксид молибдена(VI) - 7%,
оксид германия(IV) - 4%,
оксид бора(III) - 19%.
С закрепленными на подложке электрическими контактами, на которой сформирован газочувствительный слой.
3
3
Значение Δσ под действием различного содержания паров воды (от 3,37 до 22,51 г/м) в газовой фазе изменялась от 6,10 до 136. Δσ под действием различного содержания паров сероводорода (от 6,11 до 61,1 мг/м) в газовой фазе изменялась от 0,3 до 0,8 мкСм.
Пример 5
Датчик содержит диэлектрическую подложку из висмутсодержащего стекла состава:
оксид висмута(III) - 70%,
оксид молибдена(VI) - 7%,
оксид германия(IV) - 7%,
оксид бора(III) - 16%.
С закрепленными на подложке электрическими контактами, на которой сформирован газочувствительный слой.
3
3
Значение Δσ под действием различного содержания паров воды (от 3,37 до 22,51 г/м) в газовой фазе изменялось от 6,00 до 146,00 мкСм. До под действием различного содержания паров сероводорода (от 6,11 до 61,1 мг/м) в газовой фазе изменялась от 20,00 до 59,00 мкСм.
Пример 6
Датчик содержит диэлектрическую подложку из висмутсодержащего стекла состава:
оксид висмута(III) - 70%,
оксид молибдена(VI) - 7%,
оксид германия(IV) - 17%,
оксид бора(III) - 6%.
С закрепленными на подложке электрическими контактами, на которой сформирован газочувствительный слой.
3
3
Значение Δσ под действием различного содержания паров воды (от 3,37 до 22,51 г/м) в газовой фазе изменялось от 6,00 до 130,00 мкСм. Δσ под действием различного содержания паров сероводорода (от 6,11 до 61,1 мг/м) в газовой фазе изменялась от 53,00 до 300 мкСм.
Использование подложки, содержащей в своем составе менее 3% оксида молибдена, нецелесообразно ввиду уменьшения чувствительности датчика.
Использование подложки, содержащей в своем составе более 7% оксида молибдена, осложнено механической непрочностью подложки и высокой вероятности ее разрушения при изготовлении сенсора.
При использовании подложки, содержащей в своем составе менее 4% оксида германия, его влияние незначительно на характеристики датчика.
Использование подложки, содержащей в своем составе более 17% оксида германия, осложнено процессом стеклования, что приводит к образованию неоднородного стекла.
Таким образом, предлагаемый датчик позволяет проводить измерения на определение содержания как паров воды, так и сероводорода одновременно.
Заявляемый способ изготовления датчика позволил увеличить стабильность результатов измерения (таблица 1).
Таблица 1.Зависимость стабильности результатов измерения от состава подложки.
Состав подложки
Стабильность
Состав подложки
Стабильность
оксид висмута(III) - 70%,
оксид висмута(III) - 70%,
оксид молибдена(VI) - 3%,
7 мес.
оксид молибдена(VI) - 7%,
7 мес.
оксид германия(IV) - 4% оксид бора(III) - 23%
оксид германия(IV) - 4%
оксид бора(III) - 19%
оксид висмута(III) - 70%,
оксид висмута(III) - 70%,
оксид молибдена(VI) - 3%,
8 мес.
оксид молибдена(VI) - 7%,
8 мес.
оксид германия(IV) - 7%
оксид германия(IV) - 7%
оксид бора(III) - 20%
оксид бора(III) - 16%
оксид висмута(III) - 70%,
оксид висмута(III) - 70%,
оксид молибдена(VI) - 3%,
9 мес.
оксид молибдена(VI) - 7%,
9 мес.
оксид германия(IV) - 17%
оксид германия(IV) - 17%
оксид бора(III) - 10%
оксид бора(III) - 6%
Обработка слоя нерастворимого фосфата висмута с помощью гептамолибдата аммония позволила исключить фазу, образуемую при модификации раствором парамолибдата аммония и перекиси водорода, которая разрушается вследствие необратимой абсорбции.