ХЕМОРЕЗИСТИВНЫЙ ГАЗОВЫЙ СЕНСОР

Полезная модель относится к области микроэлектронных устройств, а именно к газовым сенсорам, и может найти широкое применение в измерительной технике, предназначенной для детектирования различных типов газов в воздухе.
2
2
3
Известен газовый сенсор [Патент РФ №2509303, Полупроводниковый газовый сенсор/Авторы: Сердюк И.В., Смирнов М.С. Номер заявки 2012146071/28, опубл. 10.03.2014], содержащий корпус реакционной камеры, с торца закрытый сеткой, в котором на контактных проводниках установлен шарообразный полупроводниковый газочувствительный элемент, внутри которого размещен нагреватель в виде цилиндрический пружины, внутри которой по ее оси и по диаметру шарообразного полупроводникового элемента расположен прямой измерительный проводник, при этом корпус реакционной камеры выполнен из коррозионно-стойкой стали, сетка выполнена из проволоки нержавеющей стали диаметром 0,03-0,04 мм шагом 0,06-0,08 мм, газочувствительный элемент расположен по центру реакционной камеры, нагреватель и измерительный проводник газочувствительного элемента выполнены из платиновой проволоки диаметром 0,01-0,02 мм, нагреватель имеет 2-7 витка проволоки, шарообразный полупроводниковый газочувствительный элемент имеет диаметр 0,4-0,8 мм и выполнен из смеси оксида олова SnO: 5-95 мас.% и оксида индия InO: 5-95 мас.%.
Недостатком газового сенсора является протекание процессов детектирования при повышенных температурах от 100 до 450°С, что приводит к повышенным энергозатрам на нагрев и предъявляет особые требования по жаростойкости материалов сенсора.
Известен адсорбционно-резистивный газовый сенсор [Патент РФ №196983, Газовый сенсор/Авторы: Облов К.Ю., Самотаев Н.Н., Этрекова М.О., Онищенко Е.М., Филипчук Д.В. Номер заявки 2019135813, опубл. 23.03.2020], содержащий диэлектрическую подложку, в которой с помощью сквозной перфорации сформирована рабочая область, в которой на одной из ее сторон закреплен тонкопленочный чувствительный элемент, связанный платиновыми пленочными дорожками с информационными контактными площадками, а на другой стороне рабочей области сформирован тонкопленочный нагревательный элемент, связанный токопроводящими дорожками с контактными площадками нагревателя, причем диэлектрическая подложка помещается в керамический корпус, в нижней и верхней частях которой с помощью прецизионной лазерной микрофрезеровки созданы продольные пазы и направляющие выступы, позволяющие ориентировать подложку с чувствительным элементом и нагревателем строго вертикально и совместить контактные площадки на обеих сторонах подложки с соответствующими пазами на боковых стенках нижней части корпуса, при этом исключается необходимость использования дополнительных контактных площадок и металлизированных отверстий в диэлектрической подложке для подключения нагревателя к внешним выводам и, тем самым повышается надежность газового сенсора.
Недостатком адсорбционно-резистивного газового сенсора является неравномерность нагрева различных участков чувствительного элемента газового сенсора по высоте при вертикальном размещении диэлектрической подложки в корпусе из-за явления конвекции, что приводит к снижению селективности сенсора.
Известен газовый сенсор на основе углеродных нанотрубок [Патент РФ № 187907, Газовый сенсор на основе углеродных нанотрубок/ Авторы: Ильин О.И., Рудык Н.Н., Ильина М.В., Федотов А.А. Номер заявки 2018146307, опубл. 21.03.2019], 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.
Недостатком газового сенсора является проведение процесса при повышенной температуре в ионизационной ячейке, что соответственно приводит к повышенным энергозатратам.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению, принятому за прототип, является газовый сенсор [Патент BY U №10187, Республика Белоруссия. Адсорбционно-резистивный газовый сенсор/ Авторы: Мухуров Н.И., Денисюк С.В., Куданович О.Н. Номер заявки U 20131038, опубл. 30.06.2014 (https://bypatents.com/4-u10187-adsorbcionno-rezistivnyjj-gazovyjj-sensor.html)], содержащий диэлектрическую подложку с отделенной от нее сквозной перфорацией рабочей областью, в которой на одной из сторон диэлектрической подложки сформирована тонкопленочная встречно-штыревая система информационных электродов, связанная с контактными площадками системы информационных электродов токопроводящими дорожками, с нанесенной поверх пленкой газочувствительного материала, состоящего из смеси оксидов железа, при этом на обратной стороне диэлектрической подложки в рабочей области сформирован тонкопленочный нагреватель для поддержания рабочей температуры 550°С, связанный с контактными площадками нагревательного элемента токопроводящими дорожками.
Недостатком устройства является проведение процесса детектирования газов при высокой рабочей температуре газового сенсора, влияющей на селективность чувствительного элемента, что соответственно приводит к повышенным энергозатратам и соответственно дороговизне эксплуатирования.
Задачей (техническим результатом) предлагаемой полезной модели является снижение энергозатрат на детектирование при сохранении высокой селективности чувствительного элемента.
Поставленная задача достигается тем, что хеморезистивный газовый сенсор состоит из кремниевой подложки, поверхность которой окислена до диоксида кремния, при этом на поверхность подложки нанесен чувствительный элемент, представляющий собой углеродные нанотрубки, на обоих концах которого нанесен слой нихрома, на поверхность которого нанесены золотые контакты, и нагревательного элемента, прикрепленного на обратной стороне подложки.
На чертеже приведен хеморезистивный газовый сенсор, который состоит из подложки 1, чувствительного элемента 2, слоя нихрома 3, золотых контактов 4, нагревательного элемента 5.
Хеморезистивный газовый сенсор работает следующим образом.
2
примесь
база
f
В рабочую зону хеморезистивного газового сенсора, состоящего из кремниевой подложки (1), поверхность которой окислена до диоксида кремния SiO, подают воздух, содержащий детектируемые примеси различных газов (углеводородные газы, аммиак, сероводород и т.д.), при этом на подложку (1) нанесен чувствительный элемент (2), представляющий собой слой углеродных нанотрубок, выращенных на подложке (1) методом газофазного осаждения на катализаторе, на обоих концах которого нанесен путем вакуумного термического испарения нихромовой проволоки слой нихрома (3), на поверхность которого нанесены золотые контакты (4) толщиной 325 нм. Слой нихрома позволяет улучшить сцепление подложки, чувствительного элемента и золотых контактов. Далее детектируемая примесь газов в потоке воздуха контактирует с чувствительным элементом (2), где происходит адсорбция детектируемой примеси газа на поверхности чувствительного элемента. В результате процесса адсорбции происходит изменение сопротивления чувствительного элемента пропорционально концентрации примеси газа в воздухе и детектируется измерительным прибором - омметром (на чертеже не указан), который выдает сигнал, понятный пользователю (численное значение, световая или звуковая индикация). Аналитический сигнал А от чувствительного элемента (2) определяется как отношение его сопротивления в детектируемой примеси газов к сопротивлению базового сигнала А=R/R. С помощью концентрационных зависимостей чувствительности А=(C) адсорбционного газового сенсора и данных измерений определяются концентрации детектируемого газа в анализируемом потоке воздуха. Чувствительность адсорбционного газового сенсора может достигать до 1 ppm в зависимости от типа газа. Далее воздух с остатками детектируемой примеси газов, после контакта с чувствительным элементом, удаляется в атмосферу. По мере насыщения поверхности чувствительного элемента детектируемыми примесями газов снижается восприимчивость и селективность чувствительного элемента к детектируемым примесям газов. Для удаления адсорбированных примесей газов с поверхности чувствительного элемента используется нагревательный элемент (5), закрепленный зигзагом на обратной стороне подложки (1), представляющий медную проволоку диаметром 0,05 мм, соединенную с источником тока (на чертеже не указан). По мере необходимости на нагревательный элемент (5) подают ток с помощью источника тока и доводят температуру нагревательного элемента до 150°С, при этом происходит процесс десорбции детектируемых примесей газов с поверхности чувствительного элемента и соответственно происходит регенерация и восстановление восприимчивости и селективности чувствительного элемента к детектируемым примесям газов.
Основное преимущество углеродных нанотрубок состоит в том, что они позволяют газовым сенсорам работать при комнатной температуре, в отличие от промышленных полупроводниковых материалов, требующих при работе постоянный нагрев до 300°С и выше, при этом газовые сенсоры на основе углеродных нанотрубок компактные, что позволяет создавать портативные устройства с более высокой селективностью по отношению к детектируемым газам.
Углеродный материал в сенсоре выполняет роль активного материала, электрическое сопротивление которого меняется при контакте с детектируемыми примесями газов в воздухе. Газ адсорбируется на поверхности материала и повышает или снижает концентрацию носителей заряда (в зависимости от природы газа). Если число носителей растет, то сопротивление падает, и наоборот. Изменение электрического сопротивления слоя углеродного материала пропорционально концентрации газа в воздухе.
Таким образом, предложенный хеморезистивный газовый сенсор за счет использования в качестве чувствительного элемента углеродных нанотрубок, работающих при комнатной температуре, позволяет снизить энергозатраты на детектирование при сохранении высокой селективности чувствительного элемента.