ГАЗОВЫЙ СЕНСОР

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.
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 внешних факторов.
Известен планарный адсорбционно-резистивный газовый сенсор сенсор горючих газов [2], содержащий диэлектрическую подложку с отделенной от нее сквозной перфорацией рабочей областью, в которой на одной ("лицевой") стороне диэлектрической подложки нанесена пленка газочувствительного материала, связанная с информационными контактными площадками токопроводящими дорожками, на обратной стороне диэлектрической подложки в рабочей области сформирован тонкопленочный нагревательный элемент, связанный токопроводящими дорожками с контактными площадками нагревательного элемента, причем последние через металлизированные отверстия соединены 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 устройства 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).
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению, принятым за прототип, является газовый сенсор [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, 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. На внешней стороне боковых стенок нижней части корпуса имеются наклонные выступы, также совмещенные с боковыми пазами. Благодаря такому решению удается осуществлять надежный контакт нагревателя и чувствительного элемента газового сенсора с внешними выводами без применения сквозных металлизированных отверстий в подложке и паянных соединений контактных площадок сенсора с выводами корпуса с помощью тонких золотых проволочек, используя для этой цели платиновую пасту и последующую термообработку, что обеспечивает повышение надежности устройства. Недостатком прототипа является потребление большой мощности для нагревания чувствительного элемента рабочей области газового сенсора до рабочей температуры, которая, в зависимости от используемого материала чувствительной пленки и от детектируемого газа, лежит обычно в диапазоне 250-550°С, вследствие того, что диэлектрическая подложка в рабочей области имеет ту же толщину, что и остальная часть диэлектрической подложки. Толщина последней должна быть достаточной для обеспечения механической прочности чипа газового сенсора.
Технический результат заявляемой полезной модели направлен на снижение потребления мощности, необходимой для нагревания чувствительного элемента в рабочей области газового сенсора до рабочей температуры.
Раскрытие сущности полезной модели
Технический результат достигается тем, что газовый сенсор, содержащий диэлектрическую подложку с рабочей областью, которая отделена от диэлектрической подложки сквозной перфорацией, на одной из сторон диэлектрической подложки 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, характеризуется тем, что диэлектрическая подложка в рабочей области газового сенсора имеет в три и более раз меньшую толщину, чем все остальные части диэлектрической подложки.
Ниже приведен пример конкретной реализации устройства. Он поясняется чертежами, приведенными на фиг. 1-3.
На фиг. 1 представлен вид на разрез газового сенсора по диэлектрической подложке в зоне рабочей области.
На фиг. 2 представлен вид на газовый сенсор со стороны чувствительного элемента.
На фиг. 3 представлен вид на газовый сенсор со стороны нагревателя.
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.
Газовый сенсор содержит диэлектрическую подложку 1 с рабочей областью 2, отделенной от диэлектрической подложки 1 с помощью сквозной перфорации, причем диэлектрическая подложка в рабочей области 2 газового сенсора имеет в три и более раз меньшую толщину, чем все остальные части диэлектрической подложки 1. 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 6. Предлагаемое устройство функционирует следующим образом
2
3
Диэлектрическая подложка 1 из AlO керамики толщиной 60 мкм с рабочей областью 2, отделенной от диэлектрической подложки 1 с помощью сквозной перфорации, причем на одну из сторон рабочей области 2 нанесена пленка газочувствительного материала 5 (чувствительный элемент), соединенная с помощью токопроводящих дорожек 4 с информационными контактными площадками 3, расположенными на той же стороне диэлектрической подложки 1, а на обратной стороне рабочей области 2 размещен тонкопленочный нагревательный элемент 6, связанный токопроводящими дорожками 7 нагревательного элемента 6 с контактными площадками 8 нагревательного элемента 6, представляет собой первичный газовый сенсор (фиг. 1-3). Диэлектрическая подложка 1 в рабочей области 2 благодаря прецизионной лазерной обработке имеет в три и более раз меньшую толщину, чем все остальные части диэлектрической подложки 1 (фиг. 1).
cм
aтм
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, поступающей от внешнего источника, что, в свою очередь, вызывает локальный нагрев рабочей области 2 и, следовательно, пленки газочувствительного материала 5 и обеспечивает перевод чувствительного элемента в рабочий режим и поддержание этого состояния в процессе эксплуатации. Выбором состава пленки газочувствительного материала 5 и путем ее последующей термической обработки обеспечивается селективность газового сенсора к определенному газу. 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.
Так как в заявляемом газовом сенсоре толщина диэлектрика в рабочей области существенно меньше, чем в прототипе, где она одинакова для всех участков диэлектрической подложки, потребление мощности в процессе эксплуатации также сокращается. Для реализации предложенной конструкции сенсора используется операция прецизионной лазерной микрофрезеровки. Учитывая тот факт, что для тонкой диэлектрической пластины распределение температуры по ее толщине для идеального случая носит линейный характер, снижение мощности было бы пропорционально уменьшению толщины диэлектрика в рабочей области. Это предположение не является строгим, поскольку рассматриваемый случай не является идеальным, так как "узкая" дорожка нагревателя не охватывает всю площадь рабочей области, ширина рабочей области превосходит ее толщину в конечное число раз и т.п. Однако, как показывает испытания экспериментального образца газового сенсора с предложенной конструкцией, при уменьшении толщины диэлектрика в рабочей области сенсора до 20 мкм потребляемая мощность снижается в 2 раза. При этом диэлектрическая подложка сохраняет достаточную механическую прочность. Таким образом, заявляемое устройство благодаря уменьшению толщины диэлектрика в рабочей области газового сенсора обеспечивает по сравнению с прототипом существенное снижение потребляемой мощности.
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 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.