ГАЗОВЫЙ СЕНСОР НА ОСНОВЕ ГИБРИДНЫХ НАНОМАТЕРИАЛОВ

Предполагаемая полезная модель относится к области газового анализа, сенсорной технике, а более конкретно к детектирующим устройствам, для определения концентрации различных газов.
Известен газовый датчик (Патент РФ №2174677 от 2 июня 2000 года), содержащий диэлектрическую подложку с нанесенными на нее взаимопроникающими гребенчатыми металлическими электродами. В качестве материалов электродов используются золото или платина. На гребенчатые электроды методом электрополимеризации наносится чувствительный слой, состоящий из смеси двух проводящих полимеров: полистануманилина и полианилина в соотношении 10:3. Принцип работы данного сенсора основан на протекании обратимых окислительно-восстановительных реакций и других взаимодействий в чувствительном слое, в ходе которых меняется электрическое сопротивление.
Данный газовый датчик позволяет детектировать только аммиак, селективность чувствительного элемента определяется свойствами газочувствительного материала.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого объекта, являются: диэлектрическая подложка, гребенчатые электроды, пленочный газочувствительный слой.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: необходимость продувки газового сенсора воздухом для восстановления газочувствительных свойств, технологические трудности получения полимерной газочувствительной пленки. Кроме того, органические полимеры имеют свойство стареть со временем, а нежесткость квазиодномерной решетки приводит к локализации инжектированного как при окислении, так и при восстановлении заряда в области вызванного им искажения геометрии решетки, и из-за этого происходит изменение электрофизических параметров.
Известен газовый датчик, (Патент РФ №2395799 от 11 марта 2009 года), состоящий из полупроводниковой подложки, выполненной в виде поликристаллической пленки теллурида цинка, легированного антимонидом галлия, нанесенной на электродную площадку пьезокварцевого резонатора. Принцип работы данного датчика основан на адсорбционно-десорбционных процессах, протекающих на полупроводниковой пленке, нанесенной на электродную площадку пьезокварцевого резонатора, и вызывающих изменение его электропроводности.
Данная конструкция чувствительного элемента позволяет детектировать газы определенного состава, селективность газочувствительного элемента определяются электрофизическими свойствами материала.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемой полезной модели, являются: пленочный газочувствительный слой, адсорбционно-десорбционные процессы лежащие в основе работы данного датчика.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: использование граду ировочных кривых для определения концентрации газа, невозможность детектирования различных газов одним прибором.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является чувствительный элемент (Patent №118 6,786,076 В2 от 7 сентября 2004 года), содержащий полупроводниковую подложку с нанесенными на поверхность металлическими электродами, подложка выполнена из поликристаллической пленки селенида цинка, которая для удобства пользования, может быть закреплена на диэлектрической подложке (стекло, пьезокварц, керамика и др.). Нагревательный элемент располагается между нижним электродом и чувствительным элементом; распределенные верхние электроды находятся над газочувствительным элементом. Принцип работы данного сенсора основан на адсорбционно-десорбционных процессах, протекающих на поверхности чувствительного элемента, приводящих к изменению удельного сопротивления. Нагревательный элемент необходим для регенерации чувствительного элемента. Тепло от нагревательного элемента проводится к чувствительному элементу для нагрева его до температуры, достаточной, чтобы вызвать десорбцию молекул.
Данная конструкция чувствительного элемента позволяет детектировать приходящие на него газы определенной концентрации, селективность газочувствительного элемента определяется электрофизическими и морфологическими свойствами газочувствительного материала.
Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого объекта, являются: диэлектрическая подложка, нанесенные на нее металлические электроды (в заявленном устройстве нижний контактный слой), газочувствительный элемент (в заявленном устройстве газочувствительный слой), распределенный верхний электрод.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, является невозможность детектирования нескольких газов одним прибором.
Задача предполагаемого изобретения - расширение функциональных возможностей для обеспечения селективного детектирования определенного газа, уменьшение размеров чувствительного элемента, повышение газочувствительности, снижение энергопотребления за счет отсутствия нагревательного элемента.
Технический результат достигается тем, что соединение распределенного верхнего электрода и газочувствительного слоя выполнено пленочным нанокристаллическим чувствительным материалом на основе оксидов металла, а соединение газочувствительного слоя с нижним контактным слоем выполнено разветвленной сетью наноструктур с высокой площадью поверхности, обладающих металлической проводимостью, причем в качестве разветвленной сети наноструктур могут быть использованы углеродные нанотрубки.
Для достижения технического результата в газовом сенсоре на основе гибридных наноматериалов, состоящем из диэлектрической подложки с нанесенным на нее нижним контактным слоем, выполненным из металла, соединенным с газочувствительным слоем, над которым расположен распределенный верхний электрод, соединение распределенного верхнего электрода и газочувствительного слоя выполнено пленочным нанокристаллическим чувствительным материалом на основе оксидов металла, а соединение газочувствительного слоя с нижним контактным слоем выполнено разветвленной сетью наноструктур с высокой площадью поверхности, обладающих металлической проводимостью, причем в качестве разветвленной сети наноструктур могут быть использованы углеродные нанотрубки.
На Фиг.1 приведена топология основных слоев предлагаемого газочувствительного сенсора. На Фиг.2 приведены сечения предлагаемого газового сенсора на основе гибридных наноматериалов.
Чувствительный элемент газового сенсора на основе гибридных наноматериалов (Фиг.1) содержит диэлектрическую подложку 1 с расположенным на ней нижним контактным слоем 2, выполненным из металла, газочувствительный слой, состоящий из разветвленной сети наноструктур с высокой площадью поверхности, обладающих металлической проводимостью 3, пленочный нанокристаллический чувствительный материал на основе оксидов металлов 4, распределенный верхний электрод 5.
Работает газовый сенсор следующим образом.
Газ попадает на пленочный нанокристаллический чувствительный материал на основе оксидов металлов 4 и газочувствительный слой, состоящий из разветвленной сети наноструктур с высокой площадью поверхности, обладающих металлической проводимостью 3, молекулы газа адсорбируются на поверхности пленочного материала, что приводит к изменению электрического сопротивления нанокристаллической пленки между нижним контактным слоем 2 и верхним электродом 5.
Таким образом, предлагаемое устройство представляет собой газовый сенсор на основе гибридных наноматериалов, позволяющий детектировать газы различного состава в широком диапазоне концентраций. Использование гибридного материала в качестве газочувствительного элемента, состоящего из разветвленной сети наноструктур с высокой площадью поверхности, обладающих металлической проводимостью, и нанокристаллического газочувствительного материала на основе оксидов металлов, позволяет повысить чувствительность и селективность, а также быстродействие, что позволяет использовать данный газовый сенсор для детектирования газов различного состава и концентрации.
Таким образом, по сравнению с аналогичными устройствами, предлагаемый газовый сенсор позволяет уменьшить размер чувствительного элемента за счет высокой площади поверхности, энергопотребление, повысить чувствительность, селективность и быстродействие, и, как следствие, детектировать газы различного состава в широком диапазоне концентраций.