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
2
2
3
Из существующего уровня техники известен полупроводниковый газовый сенсор [1], в котором шарообразный полупроводниковый газочувствительный элемент (пеллистор), внутри которого размещен нагреватель в виде цилиндрический пружины, установлен на контактных проводниках в центре корпуса. Полупроводниковый элемент, представляющий собой оксид олова SnO (80% масс) с добавкой оксида индия InO (20% масс.), обладает достаточно высокой чувствительностью и быстродействием. Чувствительный полупроводниковый элемент при взаимодействии с газом меняет электрическую проводимость. Недостатком газового сенсора является недостаточная механическая прочность газочувствительного элемента, что также уменьшает долговременную стабильность, быстродействие и устойчивость к воздействию внешний факторов.
Известен пленарный сенсор горючих газов [2], 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.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению, принятым за прототип, является адсорбционно-резистивный газовый сенсор, описанный [3], и 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 и чувствительного элемента и нагревателя. Недостатком прототипа является усложнение технологии изготовления газового сенсора из-за необходимости использования металлизированных отверстий и снижение надежности прибора из-за значительного числа паянных или точечных сварных соединений золотых проволочек с контактными площадками (два соединения на каждый контакт).
Технический результат заявляемого полезной модели направлен на повышение надежности газовых сенсоров и упрощение технологии изготовления полупроводниковых газовых сенсоров.
Раскрытие сущности полезной модели
Технический результат достигается тем, что газовый сенсор, содержащий диэлектрическую подложку, в которой с помощью сквозной перфорации сформирована в виде консоли рабочая область, в которой на одной из сторон диэлектрической подложки сформированы информационные контактные площадки, связанные информационными токопроводящими дорожками с нанесенной 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, дополнительно содержит керамический корпус, состоящий из нижней и верхней частей, для вертикального размещения диэлектрической подложки с рабочей областью сенсора во внутренней полости корпуса с помощью расположенных по продольной центральной оси нижней части корпуса паза и направляющих выступов и паза и направляющих выступов верхней части корпуса. Нижняя часть корпуса имеет четыре наклонных выступа, направленные вовне и расположенные по два на противоположных продольных стенках корпуса перпендикулярно последним, причем их положение относительно центральной оси корпуса соответствует положению контактных площадок на соответствующих сторонах диэлектрической подложки, в боковых стенках нижней части корпуса рядом с с наклонными выступами сделаны неглубокие пазы, на которые, как и на верхнюю поверхность внешних наклонных выступов нанесена платиновая металлизация для обеспечения электрического контакта с пленкой газочувствительного материала и нагревательным элементом газового сенсора соответственно. В верхней части корпуса сделаны четыре отверстия для доступа окружающего воздуха во внутреннюю полость корпуса.
Краткое описание чертежей
Сущность полезной модели поясняется фиг. 1-9.
На фиг. 1 представлен вид на газовый сенсор со стороны чувствительного элемента.
На фиг. 2 представлен вид на газовый сенсор со стороны нагревателя.
На фиг. 3 представлен вид на разрез газового сенсора по диэлектрической подложке 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 на нижнюю часть корпуса газового сенсора сбоку.
На фиг. 7 представлен вид снизу на верхнюю часть корпуса газового сенсора.
На фиг. 8 представлен поперечный разрез верхней части корпуса газового сенсора.
На фиг. 9 представлен поперечный разрез газового сенсора в сборе по линии отверстий в верхней части корпуса.
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 - продольный паз в нижней части корпуса;
12 - направляющие выступы нижней части корпуса;
13 - продольный паз в верхней части корпуса;
14 - направляющие выступы верхней части корпуса;
15 - внешние наклонные выступы нижней части корпуса;
16 - пазы в боковых стенках нижней части корпуса;
17 - платиновая металлизация в пазах боковых стенок нижней части корпуса;
18 - платиновая металлизация на верхних поверхностях внешних наклонных выступов нижней части корпуса;
19 - отверстия в верхней части корпуса.
Газовый сенсор содержит диэлектрическую подложку 1, в которой с помощью сквозной перфорации сформирована в виде консоли рабочая область 2, в которой на одной из сторон диэлектрической подложки 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, состоящий из нижней 9 и верхней 10 частей для вертикального размещения диэлектрической подложки 1 с рабочей областью 2 сенсора во внутренней полости корпуса с помощью расположенных по продольной центральной оси нижней части 9 корпуса паза 11 и направляющих выступов 12 и паза 13 и направляющих выступов 14 верхней части корпуса. Нижняя часть 9 корпуса имеет четыре наклонных выступа 15, направленные вовне и расположенные по два на противоположных продольных стенках нижней части 9 корпуса перпендикулярно последним, причем их положение относительно центральной оси корпуса соответствует положению контактных площадок 3 и 8 на соответствующих сторонах диэлектрической подложки 1, в боковых стенках нижней части 9 корпуса рядом с наклонными выступами 15 сделаны неглубокие пазы 16, на которые, как и на верхнюю поверхность внешних наклонных выступов 15 нанесена платиновая металлизация 17 и 18 соответственно для обеспечения электрического контакта с пленкой газочувствительного материала 5 и нагревательным элементом 6 газового сенсора соответственно. В верхней части 10 корпуса сделаны четыре отверстия для доступа окружающего воздуха во внутреннюю полость 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 в виде консоли 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, 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. Благодаря наличию продольного паза 11 и направляющих выступов 15, созданных с помощью прецизионной лазерной фрезеровки в нижней части 9 корпуса, диэлектрическая подложка 1 размещается строго вертикально ориентированной с микронными зазорами относительно боковых стенок нижней части 9 корпуса (фиг. 4, фиг. 5). При этом после фиксации контакта пазов 16 боковых стенках нижней части 9 корпуса с предварительно нанесенной на них платиновой металлизацией 17 и соответствующих информационных контактных площадок 3 и контактных площадок 8 нагревательного элемента с помощью платиновой пасты и последующей термической обработки через платиновую металлизацию 18 на верхних поверхностях внешних наклонных выступов 15 нижней части 9 корпуса (фиг. 6, фиг. 9) нагревательный элемент 6 может быть подключен к источнику питания, что обеспечит перевод газового сенсора в рабочее состояние, а пленка газочувствительного материала 5 может быть подключена к измерительной схеме. Для защиты тонкопленочных элементов газового сенсора от случайных повреждений служит верхняя часть 10 корпуса. Фиксация положения диэлектрической подложки 1 производится с помощью направляющих выступов 14 верхней части 10 корпуса и продольного паза 13 в верхней части 10 корпуса (фиг. 7, фиг. 8). 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,T) газового сенсора и данных измерений определяются концентрации детектируемого газа в анализируемой смеси.
Таким образом заявляемое устройство обеспечивает по сравнению с прототипом повышение надежности благодаря существенному уменьшению количества паянных (проволочных) соединений внутри корпуса газового сенсора и упрощение технологии изготовления.
Список литературных источников
1. Патент на изобретение 2509303 Российская Федерация, МПК G01N 27.14. Полупроводниковый газовый сенсор /Сердюк И.В., Смирнов М.С. Заявл. 10.03.2012, опубл. 10.03.2014, Бюл. №7.
2. 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.
3. Патент на полезную модель BY U №10187, Республика Белоруссия. Адсорбционно-резистивный газовый сенсор, МПК G01N 27/12 (2006/01) /Авторы: Мухуров Н.И., Денисюк С.В., Куданович О.Н. Номер заявки U 20131038, Опубл. 30.06.2014.