ГАЗОВЫЙ СЕНСОР

Область техники, к которой относится полезная модель.
Полезная модель относится к области микроэлектронных и микромеханических устройств, а более конкретно к газовым сенсорам и может найти широкое применение в измерительной технике, предназначенной для определения типов различных газов и их количественного содержания в воздухе.
Уровень техники
Из существующего уровня техники известен полупроводниковый газовый сенсор [1], в котором микрочип планарного термокаталитического сенсора горючих газов и паров, состоящий из общей для рабочего и сравнительного чувствительных элементов, пористой подложки из анодного оксида алюминия с расположенным на ней платиновым тонкопленочным конфигурированным покрытием, части которого, находящиеся на противоположных сторонах подложки и выполненные в форме меандра, служат микронагревателями-измерителями и обеспечивают нагрев активных зон микрочипа до рабочих температур и дифференциальное измерение выходного сигнала. Микронагреватели-измерители размещены на консолях, выступающих из общей конфигурации подложки, и отделены от центральной части подложки технологическими отверстиями для уменьшения теплоотвода от нагретых частей микрочипа. Такие решения позволяют снизить энергопотребление по сравнению с датчиками, в которых используются сплошные мембраны. Недостатком аналога является сложность сборки прибора на основе такого чипа: при помещении его в корпус типа ТО-8 необходимы специальные токоподводы и подставка для микрочипа. Кроме того, на каждый вывод измерителя приходится по два паянных (сварных) соединений, что приводит к снижению надежности.
Известен газовый сенсор, описанный [2], содержащий диэлектрическую подложку с отделенной от нее сквозной перфорацией рабочей областью, в которой на одной из сторон диэлектрической подложки сформирована тонкопленочная система информационных электродов, связанная с контактными площадками системы информационных электродов токопроводящими дорожками, с нанесенной поверх пленкой чувствительного материала, на обратной стороне диэлектрической подложки в рабочей области сформирован тонкопленочный нагреватель, связанный с контактными площадками нагревательного элемента, расположенными также на обратной стороне подложки, токопроводящими дорожками. В свою очередь, эти контактные площадки соединяются через металлизированные отверстия с контактными площадками, размещенными над ними на "лицевой" стороне диэлектрической подложки, что обеспечивает "стандартное" подключение к выводам корпуса с помощью тонких золотых проволочек чувствительного элемента и нагревателя. Недостатком устройства является усложнение технологии изготовления газового сенсора из-за необходимости использования металлизированных отверстий в диэлектрической подложке и снижение надежности прибора из-за значительного числа паянных или точечных сварных соединений золотых проволочек с контактными площадками (два соединения на каждый контакт).
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению, принятым за прототип, является адсорбционно-резистивный газовый сенсор, описанный [3], содержащий диэлектрическую подложку, в которой с помощью сквозной перфорации сформирована рабочая область, в которой на одной из ее сторон 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 прототипа 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. Снижение селективности обусловлено тем, что все газы-восстановители имеют одинаковый характер воздействия на газочувствительные металлооксидные слои в сторону увеличения электропроводности. При этом максимумы чувствительности газового сенсора к некоторым газам на шкале температуры расположены достаточно близко, а зависимость селективности от температуры носит резкий характер [4, 5]. Поэтому даже относительно небольшое различие в температурах разных участков газочувствительного слоя приводит к ухудшению одного из важнейших параметров газового сенсора - селективности.
Технический результат заявляемой полезной модели направлен на повышение селективности газового сенсора и стабильности его работы. Раскрытие сущности полезной модели
Технический результат достигается тем, что газовый сенсор, содержащий диэлектрическую подложку с рабочей областью, отделенной от диэлектрической подложки сквозной перфорацией, в которой на одной из сторон сформированы информационные контактные площадки, связанные информационными токопроводящими дорожками с нанесенной в рабочей области пленкой газочувствительного материала, на обратной стороне диэлектрической подложки в рабочей области сформирован тонкопленочный нагревательный элемент, связанный токопроводящими дорожками нагревательного элемента с контактными площадками нагревательного элемента, и керамический корпус, состоящий из нижней части и верхней части для размещения диэлектрической подложки с рабочей областью во внутренней полости корпуса, причем нижняя часть корпуса имеет четыре наклонных выступа, направленных вовне и расположенных по два на противоположных продольных стенках корпуса перпендикулярно последним, характеризуется тем, что внутри нижней части корпуса сделаны имеющие одинаковую высоту выступы вдоль продольных и поперечных стенок нижней части корпуса для горизонтального размещения диэлектрическую подложку с рабочей областью, причем выступы вдоль продольных стенок имеют меньшую ширину, чем выступы вдоль поперечных, которые имеют ту же ширину, что и направленные вовне два наклонных выступа, примыкающие к левой продольной стенке нижней части корпуса (вид сверху) и два наклонных выступа, примыкающие к правой продольной стенке нижней части корпуса соответственно, и их положение относительно центральной оси корпуса соответствует положению направленных вовне наклонных выступов, примыкающих по два к левой и правой продольным стенкам нижней части корпуса соответственно и двух пазов в левой продольной стенке и двух пазов в правой продольной стенке нижней части корпуса, причем ширина пазов также равна ширине наклонных выступов нижней части корпуса, наклонные выступы, примыкающие к левой продольной стенке нижней части корпуса, имеют одинаковую высоту с выступами, идущими вдоль продольных стенок нижней части корпуса, а плоская нижняя поверхность пазов в левой продольной стенке нижней части корпуса находится на одном уровне с верхней кромкой внешних наклонных выступов, примыкающих к левой продольной стенке нижней части корпуса, в углах нижней части корпуса, примыкающих к правой продольной стенке и поперечным стенкам нижней части корпуса имеются дополнительные выступы, ширина которых меньше ширины соответствующего паза и выбрана такой, что расстояние между дополнительными выступами равны длине диэлектрической подложки с рабочей областью, а верхняя плоская поверхность дополнительных выступов находится на одном уровне с плоской нижней поверхностью пазов в правой продольной стенке нижней части корпуса и верхней кромкой наклонных выступов, примыкающих к правой продольной стенке нижней части корпуса, дополнительные выступы достигают по глубине одной трети соответствующих поперечных стенок нижней части корпуса, причем разница в высоте направленных вовне наклонных выступов, примыкающих соответственно к правой и левой продольным стенкам нижней части корпуса равна толщине диэлектрической подложки с рабочей областью, а расстояние между продольными стенками нижней части корпуса равно ширине диэлектрической подложки с рабочей областью, на верхнюю поверхность внешних наклонных выступов нанесена платиновая металлизация, на верхнюю поверхность внешних наклонных выступов и на плоскую поверхность пазов в продольных стенках нанесена платиновая металлизация для обеспечения электрического контакта с контактными площадками, расположенными на диэлектрической подложке газового сенсора, верхняя часть корпуса газового сенсора имеет четыре направленных вниз выступа, длина и ширина верхней части корпуса равна расстоянию между внутренними вертикальными плоскостями поперечных стенок нижней части корпуса и расстоянию между внутренними вертикальными плоскостями продольных стенок нижней части корпуса соответственно, четыре направленные вниз выступа верхней части корпуса расположены зеркально расположению пазов в продольных стенках нижней части корпуса, их ширина равна ширине пазов в продольных стенках нижней части корпуса, размер по вертикальной оси, отсчитываемый от верхней плоской поверхности верхней части корпуса, для выступов, расположенных на правой и левой стороне верхней части корпуса, равен глубине пазов одноименных продольных стенках нижней части корпуса, кроме того в верхней части корпуса сделаны отверстия для доступа воздуха во внутреннюю полость корпуса газового сенсора.
Ниже приведен пример конкретной реализации устройства. Он поясняется чертежами, приведенными на фиг. 1 - 10.
На фиг. 1 представлен вид на диэлектрическую подложку с рабочей областью со стороны чувствительного элемента.
На фиг. 2 представлен вид на диэлектрическую подложку с рабочей областью со стороны нагревателя.
На фиг. 3 представлен вид на разрез диэлектрической подложки в зоне рабочей области.
На фиг. 4 представлен вид сверху на нижнюю часть корпуса газового сенсора.
На фиг. 5 представлен поперечный разрез нижней части корпуса газового сенсора.
На фиг. 6 представлен вид сбоку на нижнюю часть корпуса газового сенсора.
На фиг. 7 показано размещение диэлектрической подложки в нижней части корпуса газового сенсора
На фиг. 8 представлен вид снизу на верхнюю часть корпуса газового сенсора.
На фиг. 9 представлен вид сбоку на верхнюю часть корпуса газового сенсора.
На фиг. 10 представлен вид сбоку на газовый сенсор в сборе.
Позициями на чертежах обозначены:
1 - диэлектрическая подложка;
2 - рабочая область;
3 - информационные контактные площадки
4 - информационные токопроводящие дорожки;
5 - пленка газочувствительного материала (чувствительный элемент);
6 - нагревательный элемент;
7- токопроводящие дорожки нагревательного элемента;
8 - контактные площадки нагревательного элемента;
9 - нижняя часть корпуса;
10 - верхняя часть корпуса;
11 - продольные стенки в нижней части корпуса;
12 - поперечные стенки в нижней части корпуса;
13 -выступы вдоль продольных стенок в нижней части корпуса;
14 - выступы вдоль поперечных стенок в нижней части корпуса;
15 - внешние наклонные выступы левой продольной стенки нижней части корпуса;
16 - внешние наклонные выступы правой продольной стенки нижней части корпуса;
17 - пазы в левой продольной стенке нижней части корпуса;
18 - пазы в правой продольной стенке нижней части корпуса;
19 - дополнительные выступы в углах нижней части корпуса, примыкающие к правой продольной стенке;
20 - платиновая металлизация на верхних поверхностях внешних наклонных выступов нижней части корпуса;
21 - внешние выступы на правой стороне верхней части корпуса (вид сверху);
22 - внешние выступы на левой стороне верхней части корпуса;
23 - отверстия в верхней части корпуса.
Газовый сенсор содержит диэлектрическую подложку 1, в которой с помощью сквозной перфорации сформирована рабочая область 2, в диэлектрической подложке 1 на одной из сторон сформированы информационные контактные площадки 3, связанные информационными токопроводящими дорожками 4 с нанесенной пленкой газочувствительного материала 5. На обратной стороне диэлектрической подложки 1 в рабочей области 2 сформирован тонкопленочный нагревательный элемент 6, связанный токопроводящими дорожками 7 нагревательного элемента с контактными площадками 8 нагревательного элемента. Керамический корпус состоит из нижней 9 и верхней 10 частей для горизонтального размещения диэлектрической подложки 1 с рабочей областью 2 сенсора во внутренней полости корпуса с помощью расположенных вдоль продольных стенок 11 и поперечных стенок 12 нижней части 9 корпуса и имеющих одинаковую высоту выступов 13 и 14 соответственно. К левой и правой продольным 11 стенкам нижней части 9 корпуса примыкают внешние наклонные выступы 15 и 16 соответственно, в левой и правой продольной 11 стенках сделаны пазы 17 и 18 соответственно. В углах нижней части 9 корпуса, примыкающих к правой продольной 11 стенке, расположены дополнительные выступы 19, на верхние поверхности внешних наклонных выступов нижней части корпуса нанесена платиновая металлизация 20, в верхней 10 части корпуса имеются четыре направленных вниз выступа - два на правой 21 и два на левой 22 стороне, расположенные "зеркально" расположению пазов 18 и 17 в продольных 11 стенках нижней части корпуса, их размеры по горизонтальной оси равны ширине пазов, а высота по вертикальной оси, отсчитываемая от верхней плоской поверхности верхней части корпуса для направленных вниз выступов 21, расположенных на правой стороне верхней части 10 корпуса равен глубине пазов 18 нижней части 9 корпуса, а для направленных вниз выступов 22 - глубине пазов 17 нижней части 9 корпуса, в верхней части 10 корпуса сделаны сквозные отверстия для доступа воздуха во внутренний объем корпуса.
Предлагаемое устройство функционирует следующим образом.
2
3
2
3
см
атм
Рабочая область 2, сформированная в диэлектрической подложке 1 из AlO керамики толщиной 60 мкм с помощью сквозной перфорации, выполненной методом лазерной микрофрезеровки, и содержащая пленку газочувствительного материала 5, нанесенную на одну из сторон рабочей области 2, совместно с токопроводящими дорожками 4, соединенными с информационными контактными площадками 3, расположенными на той же стороне диэлектрической подложки 1, и тонкопленочный нагревательный элемент 6, размещенный на обратной стороне рабочей области 2, связанный токопроводящими дорожками 7 нагревательного элемента с контактными площадками 8 нагревательного элемента 6, представляют собой элементарный газовый сенсор (фиг. 1-3). Токопроводящие дорожки 4 и информационные контактные площадки 3, расположенные на одной стороне диэлектрической подложке 1, и токопроводящие дорожки 7 нагревательного элемента и контактные площадки 8 нагревательного элемента, размещенные на обратной стороне диэлектрической подложки 1, сформированы методом прецизионной лазерной микрофрезеровки предварительно нанесенной платиновой металлизации, причем нагревательный элемент 6 представляет собой узкий участок токопроводящей дорожки. Благодаря высокому сопротивлению этого участка при протекании тока на нем рассеивается «основная» часть энергии, что, в свою очередь, вызывает локальный нагрев рабочей области 2 и, следовательно, пленки газочувствительного материала 5 и обеспечивает перевод его в рабочий режим. Выбором состава пленки газочувствительного материала 5 и путем ее последующей термической обработки обеспечивается селективность газового сенсора к определенному газу. Подключение информационных контактных площадок 3 и контактных площадок 8 нагревательного элемента к внешней измерительной схеме и внешнему источнику питания обеспечивается при размещении диэлектрической подложки 1 в нижней части 9 корпуса газового сенсора, выполненного из AlO керамической подложки толщиной 0,5 мм с помощью платиновой пасты и дальнейшей термообработки. Диэлектрическая подложка 1 помещается в нижней части 9 корпуса (фиг. 4-6) с использованием продольных стенок 11, выступов 13 вдоль продольных стенок 11 в нижней части 9 корпуса и дополнительных выступов 19 в углах нижней части 9 корпуса, примыкающих к правой продольной стенке (фиг. 7). Перед размещением диэлектрической подложки 1 на выступах 13 вдоль продольных стенок 11 в нижней части 9 корпуса на нижние плоские поверхности пазов 17 левой продольной стенки 11 нижней части 9 корпуса и на участки выступов 14 вдоль поперечных стенок 12, прилегающих к пазам 17 продольной стенки 11, наносятся микрокапли платиновой пасты, а после помещения диэлектрической подложки 1 в нижней части 9 корпуса, микрокапли платиновой пасты наносятся на нижние плоские поверхности пазов 18 правой продольной стенки 11 нижней части 9 корпуса и на дополнительные выступы 19. Для защиты тонкопленочных элементов газового сенсора случайных повреждений служит верхняя часть 10 корпуса. Соединение нижней 9 и верхней 10 частей корпуса осуществляется с помощью пазов 17 и 18 в продольных стенках 11 нижней части 9 и направленных вниз выступов 21 и 22 верхней 10 части корпуса. Фиксация положения диэлектрической подложки 1, соединения нижней 9 и верхней 10 частей корпуса газового сенсора, а также контакт металлизации внешних наклонных выступов левой и правой продольных стенок нижней части 9 корпуса осуществляется с помощью термообработки. Внешние наклонные выступы 15 нижней части 9 корпуса с нанесенной на них платиновой металлизацией 18 служат для фиксации газового сенсора на плате (корпус газового сенсора соответствует типоразмеру SOT 23). Для калибровки газового сенсора используется стандартная процедура на основе предварительных исследований температурных и концентрационных зависимостей S=f(C,T) газовой чувствительности. По достижению заданных рабочих температур проводится серия измерений значений электрического сопротивления газочувствительного элемента в чистом воздухе с помощью внешней измерительной схемы. После стабилизации значений электрического сопротивления газочувствительного элемента 5 при определенной рабочей температуре, полученные результаты составляют базовые зависимости (опорный сигнал) сенсора. Под воздействием анализируемой смеси газов происходит изменение электрического сопротивления пленки газочувствительного элемента 5 вследствие адсорбции молекул газов ее поверхностью. По истечению времени отклика сопротивление газового сенсора достигает стабильного значения. Аналитический сигнал S от чувствительного элемента 5 определяются как отношение его сопротивления в газовой смеси к базовой зависимости S=R/R. С помощью концентрационных и температурных зависимостей чувствительности S=f(C, Т) газового сенсора и данных измерений определяются концентрации детектируемого газа в анализируемой смеси.
В заявляемом устройстве чип газового сенсора расположен в керамическом корпусе горизонтально, что нивелирует влияние конвекции на равномерность нагрева всех участков газочувствительной пленки в рабочей области сенсора, которое имеет место при вертикальном размещении чипа. Поскольку максимумы чувствительности газочувствительной пленки сенсора к некоторым газам на шкале температуры различаются на 10 - 20°С при рабочих температурах 250 - 500°С, то даже относительно небольшое отличие в температуре разных участков пленки может оказать существенно повлиять на селективность газового сенсора.
Заявляемое устройство обеспечивает более высокую селективность и стабильность работы в процессе эксплуатации газового сенсора по сравнению с прототипом благодаря горизонтальному расположению в керамическом корпусе диэлектрической подложки с чувствительным и нагревательным элементами.
Список литературных источников
1. Патент на изобретение 2593527 Российская Федерация, МПК G01N 27/18, G01N 25/32. Планарный термокаталитический сенсор горючих газов и паров /Карпов Е.Е., Карелин А.П., Сучков А.А. и др. - Заявка: 2015116151/28, 29.04.2015, опубл. 10.08.2016. Бюл. №22
2. Патент на полезную модель BY U №10187, Республика Белоруссия. Адсорбционно-резистивный газовый сенсор, Патент на полезную модель /Авторы: Мухуров Н.И., Денисюк С. В., Куданович О.Н. Номер заявки U 20131038, опубл. 30.06.2014.
3. Патент на полезную модель 192938 Российская Федерация, МПК G01N 27/14 (2006/01). Газовый сенсор /Авторы: Облов К.Ю., Самотаев Н.Н., Этрекова М.О., Онищенко Е.М. Заявка: 2019120319 от 28.06.2019, опубл. 08.10.2019. Бюл. №28.
4. Самотаев Н.Н., Соколов А.С., Лукьянченко А.А., Щербакова К.Ю., Манченков И.Б. Механизмы распространения газов /Системы безопасности. - 2006. - №11. - С.39-42.
5. Perdreua N., Pijolat С., Breuil P., Application of Multivariate Analysis to Gas Detection with Semiconductor sensors // Proceedings of 3rd IFAC symposium SICICA'97, Annecy. - 1997. - P. 411-416.