Газовый датчик

Полезная модель относится к полупроводниковым газовым датчикам, используемым в горнодобывающей, нефтеперерабатывающей, химической отраслях промышленности, экологии и др. для обнаружения и определения концентраций таких горючих и токсичных газов как Н₂, С₂Н₅OН, СО, NO₂ , О₃. Газовый датчик содержит электроизолирующую подложку из кремния, покрытую слоем диоксида кремния. На подложке размещены выполненные в виде резисторов типа "меандр" микронагреватель, выполненный из платины или никеля, и платиновый термодатчик. Основной элемент газового датчика - пленочная двухсторонняя трубчатая структура, каркас которой выполнен из встречно-штыревых электродов, свернутых в полую трубку «О»- или «С»-образного сечения. Газочувствительный слой пленки из металлооксидного полупроводника SnO₂ нанесен на встречно-штыревые электроды, выполненные из платины или никеля, с двух сторон. Технический результат - повышение рабочей поверхности площади пленки газочувствительного слоя из металлооксидного полупроводника при сохранении габаритов газового датчика, либо миниатюризация самого газового датчика с сохранением его чувствительности.

Полезная модель относится к области газового анализа, в частности к полупроводниковым газовым датчикам для контроля токсичных газов в горнодобывающей, нефтеперерабатывающей, химической отраслях промышленности, экологии и др.

Распространенная конструкция полупроводникового датчика газа представляет собой электроизолирующую подложку, на которой размещены металлический нагревательный элемент с изолирующим покрытием или без него, термочувствительный элемент для детектирования температуры чувствительного слоя и газочувствительный слой с электродами для генерирования выходного сигнала в ответ на газ, влажность и другие внешние воздействия. Вышеописанные элементы могут быть расположены как на одной стороне подложки, так и с противоположных сторон (1; 2). Так же из уровня техники известны твердотельные металлооксидные датчики (3, 4).

Наиболее близким, принятым за прототип, является полупроводниковый датчик газа по патенту РФ 2114422 (публ.27.06.98), представляющий собой помещенную в металлокерамический корпус электроизолирующую подложку из кремния, покрытую слоем диоксида кремния, с размещенными на ней нагревателем и термодатчиком, выполненными из платины с подслоем титана в виде резисторов типа "меандр", электродами встречно-штыревой конструкции для газочувствительного слоя, который нанесен на электроды в виде однослойной пленки из металлооксидного полупроводника.

Общим недостатком вышеуказанных аналогов и прототипа является недостаточная чувствительность из-за малой рабочей поверхности пленки газочувствительного слоя, выполненного в виде однослойной структуры.

Задача создания полезной модели направлена на повышение чувствительности газового датчика.

Технический результат - повышение рабочей поверхности площади пленки газочувствительного слоя из металлооксидного полупроводника при сохранении габаритов газового датчика, либо миниатюризация самого газового датчика с сохранением его чувствительности. Площадь пленки газочувствительного слоя из металлооксидного полупроводника является определяющим фактором, поскольку изменение удельной электропроводности пленки из металлооксидного полупроводника в газовой среде является основным измеряемым параметром.

Задача решается за счет того, что в известное устройство, содержащее помещенную в металлокерамический корпус электроизолирующую подложку из кремния, покрытую слоем диоксида кремния, с размещенными на ней нагревателем и термодатчиком, выполненными в виде резисторов типа "меандр", встречно-штыревыми электродами на которые нанесен газочувствительный слой в виде пленки из металлооксидного полупроводника, внесены следующие новые признаки:

- основным элементом датчика является пленочная двухсторонняя трубчатая структура;

- каркасом пленочной двухсторонней трубчатой структуры являются встречно-штыревые электроды, выполненные из платины или никеля и свернутые в полую трубку «O»-образного или «С»-образного сечения;

- газочувствительный слой из металлооксидного полупроводника на каркас из электродов встречно-штыревой конструкции, свернутый в полую трубку, нанесен с двух сторон;

- первый газочувствительный слой в виде пленки из металлооксидного полупроводника SnO₂ расположен на внутренней поверхности пленочной двухсторонней трубчатой структуры;

- второй газочувствительный слой в виде пленки из металлооксидного полупроводника SnO ₂ расположен на внешней поверхности пленочной двухсторонней трубчатой структуры.

Сущность полезной модели представлена на фигурах:

Фиг.1 - Внешний вид газового датчика.

Фиг.2 - Изображение каркаса пленочной двухсторонней трубчатой структуры «С»-образного сечения.

Предлагаемый газовый датчик содержит подложку 1 из кремния; покрытую изолирующим слоем 2 диоксида кремния; платиновый термодатчик 3, выполненный из платины или никеля микронагреватель 4, первый газочувствительный слой 5 тонкой пленки из металлооксидного полупроводника SnO₂, нанесенный на внутреннюю поверхность каркаса из встречно-штыревых электродов 6; второй газочувствительный слой 7 тонкой пленки из металлооксидного полупроводника SnO ₂, нанесенный на внешнюю поверхность каркаса из встречно-штыревых электродов 6.

Микронагреватель 4 и термодатчик 3 имеют одинаковую топологию резистора типа "меандр". Такая конструкция нагревателя имеет стандартное напряжение питания (3, 6, 12 В) и малую потребляемую мощность (менее 1 Вт). Основным элементом датчика является пленочная двухсторонняя трубчатая структура, каркасом которой являются встречно-штыревые электроды 6, свернутые в полую трубку «С»- или «О»-образного сечения (фиг.2). Пленка из металлооксидного полупроводника SnO ₂ на каркас из электродов 6 встречно-штырьковой конструкции нанесена с двух сторон. При этом первый газочувствительный слой 5, в виде пленки из металлооксидного полупроводника SnO₂ , расположен на внутренней поверхности, а второй газочувствительный слой 7, в виде пленки из металлооксидного полупроводника SnO ₂, расположен на внешней поверхности каркаса из встречно-штыревых электродов 6 пленочной двухсторонней трубчатой структуры. Из фигуры 2 понятно, что технический результат - повышение площади пленки газочувствительного слоя из металлооксидного полупроводника - будет достигнут, как в случае выполнения каркаса из встречно-штыревых электродов «С»-образного сечения, так и «О»-образного сечения.

Высокая чувствительность датчика обусловлена невысоким номинальным сопротивлением встречно-штыревых электродов 6, а основное изменение удельного сопротивления происходит за счет сопротивления чувствительного слоя SnO₂, поэтому увеличение в два раза площади поверхности газочувствительной пленки из металлооксидного полупроводника SnO₂ позволяет повысить чувствительность газового датчика без изменения его размеров. Либо миниатюризировать датчик с сохранением его чувствительности.

Предлагаемый газовый датчик может быть помещен в стандартный металлокерамический корпус, легко встраиваемый в газовые системы.

Работа устройства, созданного на основе предлагаемой полезной модели, осуществляется следующим образом. Перед началом работы газовый датчик с пленочной двухсторонней трубчатой структурой нагревают до рабочей температуры, соответствующей максимальной адсорбции выбранного газа. Нагрев осуществляют путем подачи разности потенциала заданной величины (3-12 В) на контакты нагревателя 4. Производится регистрация исходного сопротивления газочувствительных слоев 5 и 7, при этом термодатчиком 3 одновременно контролируется рабочая температура. Затем датчик помещают в анализируемую газовую смесь. Адсорбция газа приводит к изменению сопротивления пленки газочувствительных слоев 5 и 7. Результат изменения сравнивается с табличными значениями, полученными с привлечением других методик. Что позволяет судить о концентрации исследуемого газа в многокомпонентной смеси.

Предлагаемый датчик может быть использован для обнаружения и определения концентраций горючих и токсичных газов, таких как Н₂, С₂Н₅OН, СО, NO₂, О₃.

Литература:

1. Патент Япония N 57-42045, G01N 27/12, 1982.

2. Патент ЕПВ N 0265834, G01N 27/12, 1988.

3. Патент Япония N 1-196556, G01N 27/12, Б(А1-122(1590) 1989

4. Патент RU 2114422 C1, G01N 27/12

1. Газовый датчик, содержащий электроизолирующую подложку из кремния, покрытую слоем диоксида кремния, с размещенными на ней выполненными в виде резисторов типа "меандр" микронагревателем и термодатчиком, электродами встречно-штыревой конструкции для газочувствительного слоя и газочувствительным слоем, отличающийся тем, что основным элементом датчика является пленочная двухсторонняя трубчатая структура, каркас которой выполнен из встречно-штыревых электродов, свернутых в полую трубку О- или С-образного сечения; а газочувствительный слой из металлооксидного полупроводника SnO₂ нанесен на каркас из электродов встречно-штыревой конструкции с двух сторон; причем первый газочувствительный слой в виде пленки из металлооксидного полупроводника SnO₂ расположен на внутренней поверхности пленочной двухсторонней трубчатой структуры, а второй газочувствительный слой в виде пленки из металлооксидного полупроводника SnO₂ расположен на внешней поверхности пленочной двухсторонней трубчатой структуры.

2. Газовый датчик по п.1, отличающийся тем, что микронагреватель и встречно-штыревые электроды выполнены из платины или никеля.

3. Газовый датчик по п.1, отличающийся тем, что термодатчик выполнен из платины.