ГАЗОВЫЙ ДАТЧИК

Полезная модель относится к области газового анализа, в частности к полупроводниковым газовым датчикам для контроля токсичных газов в горнодобывающей, нефтеперерабатывающей, химической отраслях промышленности, экологии и др.
Распространенная конструкция полупроводникового датчика газа представляет собой электроизолирующую подложку, на которой размещены металлический нагревательный элемент с изолирующим покрытием или без него, термочувствительный элемент для детектирования температуры чувствительного слоя и газочувствительный слой с электродами для генерирования выходного сигнала в ответ на газ, влажность и другие внешние воздействия. Вышеописанные элементы могут быть расположены как на одной стороне подложки, так и с противоположных сторон (1; 2). Так же из уровня техники известны твердотельные металлооксидные датчики (3, 4).
Наиболее близким, принятым за прототип, является полупроводниковый датчик газа по патенту РФ №2114422 (публ.27.06.98), представляющий собой помещенную в металлокерамический корпус электроизолирующую подложку из кремния, покрытую слоем диоксида кремния, с размещенными на ней нагревателем и термодатчиком, выполненными из платины с подслоем титана в виде резисторов типа "меандр", электродами встречно-штыревой конструкции для газочувствительного слоя, который нанесен на электроды в виде однослойной пленки из металлооксидного полупроводника.
Общим недостатком вышеуказанных аналогов и прототипа является недостаточная чувствительность из-за малой рабочей поверхности пленки газочувствительного слоя, выполненного в виде однослойной структуры.
Задача создания полезной модели направлена на повышение чувствительности газового датчика.
Технический результат - повышение рабочей поверхности площади пленки газочувствительного слоя из металлооксидного полупроводника при сохранении габаритов газового датчика, либо миниатюризация самого газового датчика с сохранением его чувствительности. Площадь пленки газочувствительного слоя из металлооксидного полупроводника является определяющим фактором, поскольку изменение удельной электропроводности пленки из металлооксидного полупроводника в газовой среде является основным измеряемым параметром.
Задача решается за счет того, что в известное устройство, содержащее помещенную в металлокерамический корпус электроизолирующую подложку из кремния, покрытую слоем диоксида кремния, с размещенными на ней нагревателем и термодатчиком, выполненными в виде резисторов типа "меандр", встречно-штыревыми электродами на которые нанесен газочувствительный слой в виде пленки из металлооксидного полупроводника, внесены следующие новые признаки:
- основным элементом датчика является пленочная двухсторонняя трубчатая структура;
- каркасом пленочной двухсторонней трубчатой структуры являются встречно-штыревые электроды, выполненные из платины или никеля и свернутые в полую трубку «O»-образного или «С»-образного сечения;
- газочувствительный слой из металлооксидного полупроводника на каркас из электродов встречно-штыревой конструкции, свернутый в полую трубку, нанесен с двух сторон;
2
- первый газочувствительный слой в виде пленки из металлооксидного полупроводника SnO расположен на внутренней поверхности пленочной двухсторонней трубчатой структуры;
2
- второй газочувствительный слой в виде пленки из металлооксидного полупроводника SnO расположен на внешней поверхности пленочной двухсторонней трубчатой структуры.
Сущность полезной модели представлена на фигурах:
Фиг.1 - Внешний вид газового датчика.
Фиг.2 - Изображение каркаса пленочной двухсторонней трубчатой структуры «С»-образного сечения.
2
2
Предлагаемый газовый датчик содержит подложку 1 из кремния; покрытую изолирующим слоем 2 диоксида кремния; платиновый термодатчик 3, выполненный из платины или никеля микронагреватель 4, первый газочувствительный слой 5 тонкой пленки из металлооксидного полупроводника SnO, нанесенный на внутреннюю поверхность каркаса из встречно-штыревых электродов 6; второй газочувствительный слой 7 тонкой пленки из металлооксидного полупроводника SnO, нанесенный на внешнюю поверхность каркаса из встречно-штыревых электродов 6.
2
2
2
Микронагреватель 4 и термодатчик 3 имеют одинаковую топологию резистора типа "меандр". Такая конструкция нагревателя имеет стандартное напряжение питания (3, 6, 12 В) и малую потребляемую мощность (менее 1 Вт). Основным элементом датчика является пленочная двухсторонняя трубчатая структура, каркасом которой являются встречно-штыревые электроды 6, свернутые в полую трубку «С»- или «О»-образного сечения (фиг.2). Пленка из металлооксидного полупроводника SnO на каркас из электродов 6 встречно-штырьковой конструкции нанесена с двух сторон. При этом первый газочувствительный слой 5, в виде пленки из металлооксидного полупроводника SnO, расположен на внутренней поверхности, а второй газочувствительный слой 7, в виде пленки из металлооксидного полупроводника SnO, расположен на внешней поверхности каркаса из встречно-штыревых электродов 6 пленочной двухсторонней трубчатой структуры. Из фигуры 2 понятно, что технический результат - повышение площади пленки газочувствительного слоя из металлооксидного полупроводника - будет достигнут, как в случае выполнения каркаса из встречно-штыревых электродов «С»-образного сечения, так и «О»-образного сечения.
2
2
Высокая чувствительность датчика обусловлена невысоким номинальным сопротивлением встречно-штыревых электродов 6, а основное изменение удельного сопротивления происходит за счет сопротивления чувствительного слоя SnO, поэтому увеличение в два раза площади поверхности газочувствительной пленки из металлооксидного полупроводника SnO позволяет повысить чувствительность газового датчика без изменения его размеров. Либо миниатюризировать датчик с сохранением его чувствительности.
Предлагаемый газовый датчик может быть помещен в стандартный металлокерамический корпус, легко встраиваемый в газовые системы.
Работа устройства, созданного на основе предлагаемой полезной модели, осуществляется следующим образом. Перед началом работы газовый датчик с пленочной двухсторонней трубчатой структурой нагревают до рабочей температуры, соответствующей максимальной адсорбции выбранного газа. Нагрев осуществляют путем подачи разности потенциала заданной величины (3-12 В) на контакты нагревателя 4. Производится регистрация исходного сопротивления газочувствительных слоев 5 и 7, при этом термодатчиком 3 одновременно контролируется рабочая температура. Затем датчик помещают в анализируемую газовую смесь. Адсорбция газа приводит к изменению сопротивления пленки газочувствительных слоев 5 и 7. Результат изменения сравнивается с табличными значениями, полученными с привлечением других методик. Что позволяет судить о концентрации исследуемого газа в многокомпонентной смеси.
2
2
5
2
3
Предлагаемый датчик может быть использован для обнаружения и определения концентраций горючих и токсичных газов, таких как Н, СНOН, СО, NO, О.
Литература:
1. Патент Япония N 57-42045, G01N 27/12, 1982.
2. Патент ЕПВ N 0265834, G01N 27/12, 1988.
3. Патент Япония N 1-196556, G01N 27/12, Б(А1-122(1590) 1989
4. Патент RU 2114422 C1, G01N 27/12