Чувствительный элемент датчика углеводородов
Полезная модель направлена на снижение предела обнаружения паров углеводородов различной природы, повышение селективности определения и быстродействия сенсора за счет использования в качестве чувствительного элемента пористой пленки диоксида кремния нанометровой толщины. Сущность полезной модели состоит в том, что пленка диоксида кремния модифицируется углеродом - SiO 2+C путем добавления графитовых дисков на кремниевую мишень, во время магнетронного распыления. Полученная структура обладает большой адсорбционной способностью. Данная модификация позволяет достичь цели полезной модели, а именно, снизить предел обнаружения газообразных углеводородов, повысить селективность определения и быстродействия сенсора. Существо полезной модели иллюстрируется рисунком (см. Фиг.1).
Изобретение относиться к измерительной технике и может использоваться для определения концентрации паров углеводородов в воздухе. Изобретение может применяться для предупреждения пожаро- и взрывоопасных ситуаций в химических производствах, на угольных шахтах, автозаправочных станциях, гаражах, а также для проведения экологического мониторинга.
Известен газоанализатор (см. [1]) для измерения микроконцентраций газов, основанный на поглощении из анализируемой пробы газового компонента твердым сорбентом и последующей его десорбции, при этом по концентрации газа в продуктах десорбции судят о содержании газа в исходной анализируемой пробе.
Недостатком такого сенсора является то, что десорбция газа осуществляется путем нагрева сорбента, поэтому метод инерционен.
Известен [2] также сенсор паров органических соединений, выполненный на основе линии задержки поверхностных акустических волн. Сенсор представляет собой пьезокварцевую пластину, на одной плоскости которой имеются электроды. Между электродами нанесено сорбирующее покрытие (поли-бис-цианоаллилсилоксан). При сорбции определяемых соединений изменяется скорость распространения поверхностных акустических волн между электродами, что приводит к изменению частоты электронного генератора, в цепь которого включена линия задержки.
Недостатком сенсора является высокий предел обнаружения. Так, например, для бензола и толуола, представляющих наибольшую опасность для здоровья человека (ПДК бензола = 15 мг/м3, ПДК толуола = 15 мг/м3 (см. [3])), предел обнаружения составляет 200-400 мг/м3 и 70-170 мг/м3, соответственно. Такие значения пределов обнаружения превосходят значения ПДК для этих соединений и не позволяют использовать данный сенсор для экологического мониторинга.
Известен "Чувствительный элемент газового датчика" ([4] - ближайший аналог). Устройство содержит на диэлектрической подложке оксидную полупроводниковую пленку с примесями оксидов металлов, расположенных только в поверхностном слое на глубине 5-35% ее толщины. Примеси в поверхностном слое оксидной полупроводниковой пленки образуют сложные химические соединения, взаимодействующие с окружающими чувствительный элемент газами по различным механизмам, и тем самым проявляющие различную адсорбционную активность к этим газам.
Недостатками элемента являются: невысокая избирательность чувствительного элемента к детектируемому газу по сравнению со смежными газами, неопределенность параметров чувствительного элемента и температурного режима детектирования, при которых достигаются максимальная избирательность и линейность детекторной характеристики заданного типа газа.
Целью предложенной полезной модели является снижение предела обнаружения углеводородов различной природы и бензинов, повышение селективности определения и быстродействия сенсора.
Поставленная цель достигается тем, что структуры с пленками диоксида кремния, модифицированные углеродом - SiO2+C, обладают большой адсорбционной способностью, особенно к поглощению водорода. Это связано с тем, что появление деформированных связей Si=O способствует образованию положительного некомпенсированного заряда на поверхности диэлектрика, что, в конечном счете, приводит к увеличению его адсорбционной способности.
Существо изобретения поясняется чертежом. На чертеже изображена схема устройства (см. Фиг.1).
Чувствительный элемент состоит из кремневой подложки 2, на подложку нанесены электроды (A1) 1, между которыми нанесена тонкая пористая пленка диоксида кремния 3.
Устройство работает следующим образом. На электроды 1 подают напряжение постоянного тока. В результате между электродами, по поверхности подложки 2 течет ток, в зависимости от газа адсорбирующегося на пористой пленке диоксида кремния 3 увеличивается или снижается проводимость структуры.
Пример конкретной реализации изобретения
На кремневую подложку 2, методом термического испарения в вакууме, наносятся два алюминиевых (Аl) электрода 1, расстояние между электродами 10 нм. Далее на электроды наноситься тонкая пористая пленка диоксида кремния (SiO2+С)3. Рабочий диэлектрик SiO2 +C наносится в кислородосодержащей атмосфере при давлении в вакуумной камере (6÷4)×10-3 мм рт. ст., путем магнетронного распыления составной мишени, состоящей из кремниевой мишени, на которую помещаются графитовые диски. Пористость пленки зависит от количества углерода введенного в нее и варьируется путем изменения площади занимаемой графитовыми дисками на кремниевой мишени - Sс. Толщина пленки составляет 60 нм.
Литература
1. Авторское свидетельство СССР 
735981, 1980 г., МПК G01N 27/16
2. S.I.Patrash, E.T.Zellers. Characterization of polymeric surface acoustic wave sensor coating and semiempirical models of sensors responses to organic vapours. Analyt. Chem., 1993, v.65. N 15, pp.2055-2066
3. С.Л.Муравьева, М.Л.Буковский, Е.К.Прохорова. Руководство по контролю вредных веществ в воздухе рабочей зоны. М., "Химия", 1991 г., стр.283-286)
4. Патент РФ 2011985, 1994 г., МПК G01N 27/12
Чувствительный элемент сенсора паров углеводородов, выполненный в виде кремниевой подложки с двумя электродами, между которыми нанесен чувствительный пленочный слой, отличающийся тем, что в качестве материала чувствительного слоя использована тонкая пористая пленка диоксида кремния (SiO2).
