ГАЗОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ СЕНСОР НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ НАНОСТРУКТУР

Предлагаемая полезная модель относится к области микро и наноэлектроники, а именно к наноразмерным устройствам газового анализа, предназначенных для обнаружения и распознавания различных паров и газов. Данное изобретение может быть интегрировано в высокотехнологические макроскопические системы анализа и различного рода извещателей.
0,26
0,74
Из существующего уровня техники известен аналог заявляемого объекта «Полупроводниковый газоанализатор угарного газа» (RU 2548049C1, опубл. 04.02.15). Сущность изобретения заключается в том, что полупроводниковый газоанализатор угарного газа содержит полупроводниковое основание, нанесенное на непроводящую подложку, при этом полупроводниковое основание выполнено из поликристаллической пленки твердого раствора (ZnTe)(CdSe).
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемой полезной модели, являются полупроводниковое основание, слоистая структура датчика и газочувствительный слой, выполненный в виде пленки.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: использование градуировочных кривых для определения концентрации газа, невозможность детектирования различных газов одним прибором.
Известен аналог заявляемого объекта заявляемого объекта «Сорбционный электретный газоанализатор» (RU 174317U1, опубл. 19.12.16), структура которого содержит отрезок металлической трубки со стенкой, к одному из торцов которой прикреплена металлическая гибкая мембрана, поверхность которой, обращенная во внутреннюю полость трубки, покрыта электретом, а на противоположную поверхность мембраны нанесен слой сорбента. На другом торце трубки на изоляторе установлен металлический дисковый электрод, поверхность которого ориентирована параллельно поверхности металлической мембраны, при этом гибкая мембрана и электрод подключены к измерительному устройству.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемой полезной модели, являются полупроводниковое основание, металлические контакты и газочувствительный слой, выполненный в виде пленки.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: отсутствие точного сорбента для чувствительного слоя, использование звуковых волн реализации работы датчика.
Известен аналог заявляемого объекта «Газовый сенсор на основе гибридных наноматериалов» (RU 133312U1, опубл. 10.10.13), состоящий из диэлектрической подложки с нанесенным на нее нижним контактным слоем, выполненным из металла, соединенным с газочувствительным слоем, над которым расположен распределенный верхний электрод, отличающийся тем, что соединение распределенного верхнего электрода и газочувствительного слоя выполнено пленочным нанокристаллическим чувствительным материалом на основе оксидов металла, а соединение газочувствительного слоя с нижним контактным слоем выполнено разветвленной сетью наноструктур с высокой площадью поверхности, обладающих металлической проводимостью, причем в качестве разветвленной сети наноструктур использованы углеродные нанотрубки.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемой полезной модели, являются: полупроводниковое основание, нанесенные на нее металлические контакты, газочувствительный слой, выполненный в виде углеродных наноструктур и распределенный верхний электрод.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: использование сложной разветвленной соединительной сети чувствительного материала с верхним электродом, приводящего к рассредоточению электрического сигнала, и как следствие к образованию неточности определения/детектирования газов.
Из всех известных аналогов наиболее близким к заявленному техническому решению является «Resistance-type gas sensor based on graphene, stannic oxide and zinc oxide composite, preparation method and application thereof» (CN Application CN105 891271A 2016-08-24). Изобретение представляет собой газовый сенсор резистивного типа на основе композита графена, оксида олова и оксида цинка. Газовый датчик состоит из монокристаллической кремниевой подложки, слоя диоксида кремния, адгезионного слоя титана, встречных платиновых электродов и газочувствительной пленки, покрывающей слой диоксида кремния и поверхности встречных платиновых электродов последовательно; структура титанового адгезионного слоя такая же, как и у встречно-стержневых платиновых электродов, а газочувствительной пленкой является тройной композит из графена, оксида олова и оксида цинка.
Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемой полезной модели, являются полупроводниковое основание, металлические контакты и электроды, газочувствительный слой, выполненный в виде углеродных наноструктур.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, является сложность получения требуемого композитного материала для чувствительного слоя датчика. Предлагаемая технология основана на жидкостных методах осаждения слоев и внедрения наночастиц в приповерхностный слой наноразмерной углеродной структуры, процессы которых способны привести к деградации ее чувствительных свойств и всей работоспособности структуры в целом за счет огромного количества параметров, требующих пристальное внимание и контроль. Например, такие как температуру реакции, время реакции, пропорцию реактивных параметров, глубину залегания, время воздействия и другие.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является создание высокоэффективного датчика, за счет увеличения показателей чувствительности по отношению к газам и парам жидкостей.
Технологический результат достигается тем, что в предлагаемой технологии активная область сенсора формируется с применением пленок углеродной наноструктуры, сформированных методом плазмохимического осаждения на поверхностно-модифицированном слое никеля, профилированного с помощью метода плазмохимического травления, в форме наноразмерных вертикально ориентированных вискеров.
Суть изобретения заключается в том, что при формировании активной области датчика первоначально формируется столбчатая структура из проводящего материала, после чего производится нанесение углеродных наноструктур.
На Фиг. 1, 2, 3 приведены разрезы сенсора газов.
Предлагаемый газочувствительный сенсор (Фиг. 1, 2) содержит подложку 1, выполненную из полупроводникового материала со сформированным контактным слоем 2, выполненным из проводящего материала, и верхняя часть которого преобразована в столбчатую структуру 3, на котором выращивается пленка наноразмерной углеродной наноструктуры 4, которая выступает в качестве анода, верхнюю крышку 6, выполненную из полупроводникового материала или диэлектрического материала, на которой сформирован катод 5, при этом зазор между анодом 4 и катодом 5 обеспечивается опорами 7, выполненными из диэлектрического неорганического материала. Катод выполнен из проводящего материала. Попадание газа в сенсор осуществляется через каналы для циркуляции газов 8, расположенные с торцевых сторон газового сенсора (Фиг. 2, 3).
Принцип работы предлагаемого устройства основывается на изменении зависимости ионного тока, возникающего в процессе ионизации исследуемого газа от содержания контролируемого компонента, при его прохождении через каналы для циркуляции газов 8. Ионизация паров происходит за счет формирования тлеющего разряда в системе контактный слой 2 - анод 4 - катод 5. Работа происходит следующим образом: исследуемый газовый образец проходит через специальные каналы 8, в это время на проводящие контактный слой 2 и катод 5 подается напряжение, достаточное для формирования токов эмиссии с приповерхностного слоя анода 4. Газ, проходя через анод 4, ионизируется и изменяет снимаемое значение напряжения. Используя получаемое падение напряжения, возможно определить какой конкретно образец был исследован.
Существующие технологии предполагают использование углеродных нанотрубок, формирование данных структур характеризуется несколькими этапами: нанесение каталитических центров, активации, роста и ряда других. Данные этапы направлены на получение массива углеродных наноструктур с высокой степенью вертикальности для лучшего взаимодействия с исследуемым веществом. Однако, при соблюдении данного подхода затрачивается большое количество материала и времени. Преимуществами предлагаемого устройства являются относительная простота технологии формирования за счет использования стандартных операций микро- и наноэлектроники; малые габаритные размеры, экологичность и низкая себестоимость устройства за счет применения современных наноматериалов; низкий порог чувствительности за счет использования процесса ионизации; способность интегрироваться в современные системы контроля и мониторинга окружающей и рабочей среды.