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
2
2
3
2
2
4
Из существующего уровня техники известен полупроводниковый газовый сенсор [1], содержащий корпус реакционной камеры, в котором на контактных проводниках установлен шарообразный полупроводниковый газочувствительный элемент (пеллистор), внутри которого размещен нагреватель в виде цилиндрический пружины. Полупроводниковый элемент, представляющий собой оксид олова SnO (80% масс) с добавкой оксида индия InО (20% масс.), образует систему SnО-InО, обладающую высокой чувствительностью, быстродействием, удобным диапазоном изменения сопротивлений, низкой рабочей температурой при детектировании окислительных и восстановительных газов. При взаимодействии газа с чувствительным полупроводниковым элементом, газочувствительный состав меняет электрическую проводимость. Для эффективного протекания реакции слоя SnO с СО и Н температура нагрева должна лежать в диапазоне 100-250°С, а для СН - в диапазоне 300-450°С.
Недостатком газового сенсора является то, что газочувствительный элемент обладает недостаточной механической прочностью, что также уменьшает долговременную стабильность, быстродействие и устойчивость к воздействию внешний факторов.
Известен планарный 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, обеспечить идентичность параметров чувствительных элементов по сравнению с чувствительными элементами пеллисторной конфигурации, изготавливаемыми по объемной технологии. Недостатком этого устройства является потеря чувствительности сенсорами из-за «естественного старения» под действием внешних факторов, а также отравление «каталитическими ядами».
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению, принятым за прототип, является адсорбционно-резистивный газовый сенсор, описанный в [3].
В прототипе на диэлектрической подложке расположены две рабочие области, в каждой из которых на обеих поверхностях подложки размещены газовые сенсоры, содержащие каждый нагревательный элемент, дополнительный тонкий диэлектрический слой из материала, идентичного по составу материалу диэлектрической подложки, и нанесенную на этот слой тонкую пленку чувствительного материала. Эта пленка получается путем термического окисления пленок металла, предварительно нанесенных вакуумным напылением. Для обеспечения селективного детектирования нескольких газов варьируются как химический состав пленок чувствительных материалов, так и их рабочие температуры (в диапазоне от 200 до 550°С), что достигается за счет различной толщины пленок нагревателей. При этом нагревательные элементы, расположенные на одной поверхности диэлектрической подложки соединены последовательно, т.е. оба газовых сенсора работают одновременно. В результате устройство будет нормально функционировать до момента, когда при периодической проверке работоспособности будет обнаружен недопустимый уход характеристик любого сенсора, произошедший из-за "естественного старения". Недостатком прототипа является сокращение срока его службы, поскольку прибор подлежит замене даже в случае, когда только один из сенсоров выйдет из строя.
Раскрытие сущности полезной модели
Технический результат заявляемой полезной модели направлен на увеличение срока службы газового сенсора.
Технический результат достигается тем, что газовый сенсор, содержащий диэлектрическую подложку с двумя рабочими областями, которые отделены от диэлектрической подложки сквозной перфорацией и соединены с ней парой перемычек, в первой и второй рабочих областях на одной из сторон диэлектрической подложки сформированы первый и второй нагреватели, на обеих сторонах диэлектрической подложки также сформированы контактные площадки, дополнительно содержит третью рабочую область, расположенную в диэлектрической подложке и отделенную от диэлектрической подложки сквозной перфорацией и соединенную с подложкой парой перемычек, причем перемычки в каждой из трех рабочих областей расположены на одной оси на противоположных сторонах рабочей области, каждая перемычка в паре дополнительно соединена с диэлектрической подложкой двумя дополнительными перемычками, расположенными перпендикулярно ее оси по разные от нее стороны, в третьей рабочей области сформирован третий нагреватель, расположенный на той же стороне диэлектрической подложки, что первый и второй нагреватели, нагреватели в каждой рабочей области подключены одним выводом с помощью токопроводящей дорожки, расположенной на одной перемычке из пары перемычек, соединенных с данной рабочей областью, к общей контактной площадке, а другие выводы каждого нагревателя с помощью токопроводящей дорожки, расположенной на другой перемычке из этой пары перемычек, соединены с соответствующей контактной площадкой, причем контактные площадки, к которым подсоединены нагреватели, расположены на той же стороне диэлектрической подложки, что и нагреватели, в каждой рабочей области на противоположной от нагревателя стороне диэлектрической подложки сформирован чувствительный элемент, причем один вывод чувствительного элемента в каждой рабочей области подключен к общей контактной площадке с помощью токопроводящей дорожки, расположенной на одной перемычке из пары перемычек, соединенных с данной рабочей областью, и на одной из дополнительных перемычек, соединенных с этой перемычкой, а другой вывод чувствительного элемента в каждой рабочей области с помощью соответствующей токопроводящей дорожки, проходящей по другой перемычке из пары перемычек, соединенных с данной рабочей областью, и одной из двух дополнительных перемычек, соединенных с этой перемычкой, подключен к соответствующей контактной площадке, причем контактные площадки, к которым подключены чувствительные элементы расположены на той же стороне диэлектрической подложки, что и чувствительные элементы.
Краткое описание чертежей
Сущность полезной модели поясняется фиг. 1-5.
На фиг. 1 представлен вид на разрез газового сенсора по диэлектрической подложке в зоне рабочих областей.
На фиг. 2 представлен вид на газовый сенсор со стороны нагревателей.
На фиг. 3 представлен вид на газовый сенсор со стороны чувствительных элементов.
На фиг. 4 представлен вид на диэлектрическую подложку газового сенсора.
На фиг. 5 представлен вид на газовый сенсор со стороны нагревателей с проекцией разводки токопроводящих дорожек на противоположной стороне подложки.
Позициями на чертежах обозначены:
1 - диэлектрическая подложка;
2 - первая рабочая область;
3 - вторая рабочая область;
4 - третья рабочая область;
5 - сквозная перфорация;
6 - первый нагреватель;
7 - второй нагреватель;
8 - третий нагреватель;
9 - токоведущие дорожки;
10 - общая контактная площадка нагревателей;
11 - контактная площадка первого нагревателя;
12 - контактная площадка второго нагревателя;
13 - контактная площадка третьего нагревателя;
14 - первый чувствительный элемент;
15 - второй чувствительный элемент;
16 - третий чувствительный элемент;
17 - общая контактная площадка чувствительных элементов;
18 - контактная площадка первого чувствительного элемента;
19 - контактная площадка второго чувствительного элемента;
20 - контактная площадка третьего чувствительного элемента.
Газовый сенсор содержит диэлектрическую подложку 1, в которой сформированы первая 2, вторая 3 и третья 4 рабочие области с помощью сквозной перфорации 5, причем рабочие области 2, 3, 4 соединены каждая с диэлектрической подложкой 1 парой перемычек (позиция не указана), причем перемычки в каждой из трех рабочих областей расположены на одной оси на противоположных сторонах рабочей области, каждая перемычка в паре дополнительно соединена с диэлектрической подложкой 1 двумя дополнительными перемычками, расположенными перпендикулярно ее оси по разные от нее стороны. В рабочих областях 2, 3, 4 на одной из сторон диэлектрической подложки 1 сформированы первый нагреватель 6, второй нагреватель 7 и третий нагреватель 8 соответственно. Один вывод каждого из нагревателей 6, 7 и 8 соединен с помощью токоведущих дорожек 9, расположенных на одной перемычке из пары перемычек, соединенных с рабочей областью 2, 3 и 4 соответственно, с общей контактной площадкой нагревателей 10, а другой вывод каждого из нагревателей 6, 7 и 8 соединен с помощью токоведущих дорожек 9, расположенных на другой перемычке из пары перемычек, соединенных с данной рабочей областью, с контактной площадкой 11 первого нагревателя 6, контактной площадкой 12 второго нагревателя 7 и контактной площадкой 13 третьего нагревателя 8 соответственно, причем контактные площадки 10, 11, 12, 13 расположены на той же стороне диэлектрической подложки 1, что и нагреватели 6, 7 и 8. В рабочих областях 2, 3 и 4 на противоположной от нагревателей 6, 7 и 8 сформированы чувствительные элементы 14, 15 и 16 соответственно. Один вывод каждого из чувствительных элементов 14, 15 и 16 рабочих областях 2, 3 и 4 соответственно подключен к общей контактной площадке 17 с помощью токопроводящей дорожки 9, расположенной на одной перемычке из пары перемычек, соединенных с данной рабочей областью, и на одной из дополнительных перемычек соединенных с этой перемычкой. Другой вывод каждого из чувствительных элементов 14, 15 и 16 в рабочих областях 2, 3 и 4 соответственно с помощью токопроводящей дорожки 9, проходящей по другой из пары перемычек, соединенных с данной рабочей областью, и по одной из двух дополнительных перемычек, соединенных с этой перемычкой, подключен соответственно к контактной площадке 18 первого чувствительного элемента 14, к контактной площадке 19 второго чувствительного элемента 15 и к контактной площадке 20 третьего чувствительного элемента 16, причем контактные площадки 17, 18, 19, 20, к которым подключены чувствительные элементы 14, 15, и 16, расположены на той же стороне диэлектрической подложки 1, что и чувствительные элементы 14, 15, и 16.
Предлагаемое устройство функционирует следующим образом. Каждая рабочая область 2, 3, 4 устройства является отдельным газовым сенсором. Каждый из нагревательных элементов 6, 7 и 8, сформированных с помощью лазерной обработки нанесенной на подложку 1 платиновой металлизации толщиной 1 мкм в едином технологическом цикле с изготовлением токоведущих дорожек 9, представляет собой существенно суженный участок токоведущей дорожки, что обеспечивает высокое сопротивление этого участка и, естественно, именно на участке нагревателя выделяется "основная" часть энергии при протекании тока. Это, в свою очередь, вызывает локальный нагрев чувствительного элемента 14, 15, 16 соответственно, расположенного на противоположной стороне рабочей области устройства. Чувствительные элементы 14, 15 и 16 формируются путем термического окисления предварительно нанесенных тонких пленок металла. С помощью токопроводящих дорожек 9 обеспечивается возможность подключения каждого нагревательного элемента 6, 7, 8, одним выводом к общей контактной площадке 10, а другим выводам - к контактной площадке 11, 12 и 13 соответственно (фиг. 2).
1
2
3
cм
aтм
Благодаря такому решению с помощью внешних цепей можно обеспечить активный режим (нагревание) любого из трех нагревателей, и, соответственно, нагреть до рабочей температуры соответствующий чувствительный элемент, поскольку для чувствительных элементов подсоединение к общей контактной площадке 17 и к индивидуальным контактным площадкам 18, 19, 20 организовано аналогичным образом (фиг. 3). Такое подключение позволяет получить устройство с увеличенным примерно в три раза сроком службы, что обеспечивается путем использования вначале одного из трех сенсоров 14, 15, 16 и его замены, по мере вызванной процессом «естественного» старения потери чувствительности, активным элементом, работающим при высокой температуре, следующим, находившимся ранее в "спящем" режиме (в "холодном" состоянии). Для калибровки каждого газового сенсора используется стандартная процедура на основе предварительных исследований температурных и концентрационных зависимостей S=f(C,T) газовой чувствительности для каждого из чувствительных элементов 14, 15, 16. По достижению заданных рабочих температур проводится серия измерений значений электрического сопротивления чувствительных элементов 14, 15, и 16 в первой 2, второй 3 и третьей 4 рабочих областей в чистом воздухе с помощью внешней измерительной схемы и системы информационных токоведущих дорожек 9 и контактов 17, 18, 19, 20. После стабилизации значений электрического сопротивления при определенной рабочей температуре, полученные результаты составляют базовые зависимости (опорный сигнал) сенсора. Под воздействием анализируемой смеси газов происходит изменение электрического сопротивления пленки чувствительных элементов 14, 15 и 16 вследствие адсорбции молекул газов ее поверхностью. По истечению времени отклика сопротивления испытуемых чувствительных элементов 14, 15, 16 в первой 2, второй 3, и третьей 4 рабочих областях достигают стабильных значений. Аналитические сигналы S, S, S от чувствительных элементов 14, 15, 16 определяются как отношение их 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.
Заявляемое устройство обеспечивает по сравнению с прототипом существенное увеличение срока службы благодаря тому, что в случае выхода из строя первого сенсора простым согласованным переключением двух пар выводов корпуса прибора производится отключение этого сенсора и подключение следующего.
Список литературных источников
1. Пат 2509303 Российская Федерация, МПК G01N 27/14. Полупроводниковый газовый сенсор /Сердюк И.В., Смирнов М.С. Опубл.10.03.2014, Бюл. №7.
2. Патент 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 165023, Российская Федерация, MПK_G01N 27/14. Адсорбционно-резистивный газовый сенсор /Гасенкова И.В., Лукичев В.Ф., Мухуров Н.И. и др. Заявка №2016108042/28 от 09.03.2016, опубл. 27.09.2016, бюл. №27].