Газовый сенсор

Полезная модель относится к области детектирования взрывоопасных газовых компонентов в воздухе и может быть использована в системах мониторинга утечек взрывоопасных газов.

Задача полезной модели - стабилизация параметров в интервале рабочих температур и повышение чувствительности.

Поставленная задача достигается тем, что в газовом сенсоре, содержащем подложку с нанесенными на ее поверхность слоями и контактными площадками, дополнительно введен корпус, состоящий из основания, на котором размещена подложка, выполненная в виде кварцевого кристаллического элемента и закрепленная на основании при помощи токопродящего клея, и крышки, подложка выполнена круглой формы с параллельными поверхностями из пьезоэлектрического кварца AT-среза в форме инвертированной мезаструктуры, в центре каждой из поверхностей один под другим (путем их последовательного напыления в вакууме) сформирован чувствительный слой, на одной из поверхностей размещены терморезистор и нагреватель, причем в качестве чувствительного слоя используется сорбент на основе тонкой пленки силиконового масла и палладия, при этом крышка корпуса выполнена с вентиляционными отверстиями, размещенными по всему периметру крышки корпуса, контактные площадки выполнены в виде токоотводов, нанесенных в помощью термовакуумного напыления. Поставленная задача достигается также тем, что вентиляционные отверстия выполнены диаметром 0,5 мм, в качестве терморезистора используется бусинковый терморезистор, нагреватель выполнен в виде слоя нихрома, либо в качестве терморезистора и нагревателя используется пленочный варистор.

Полезная модель относится к области детектирования взрывоопасных газовых компонентов в воздухе и может быть использована в системах мониторинга утечек взрывоопасных газов.

Известен полупроводниковый датчик газов [1], содержащий диэлектрическую подложку с размещенными на ней нагревателем, термодатчиком, электродами газочувствительного слоя и газочувствительным слоем, помещенной в металлокерамический корпус. Подложка выполнена из кремния с расположенным на ней слоем диоксида кремния. Нагреватель и термодатчик выполнены из платины с подслоем титана в виде резисторов типа "Меандр". Электроды газочувствительного слоя изготовлены в виде встречно-штырьевой структуры из того же материала. Газочувствительный слой представляет собой пленку металлоксидного полупроводника.

Недостатком известного устройства является неравномерное расположение нагревателя на одном краю кристалла датчика приводит к градиенту температуры вдоль кристалла, большой рассеиваемой мощности и, в результате чего, искажаются показания термодатчика, а так же происходит неравномерный нагрев газочувствительной пленки и непостоянные значения рабочей температуры. Недостатком является и использование титана в качестве адгезионного слоя.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является датчик, представляющий собой монокристаллическую кремниевую подложку со слоем диоксида кремния и размещенным на ней термодатчиком в виде резистивного моста. На слой диоксида кремния последовательно нанесены слой монокристаллического кремния с пористой поверхностью, второй слой диоксида кремния, термокаталитический слой и в двух несимметричных плечах резистивного моста нанесен изоляционный слой, защищающий каталитический слой от атмосферы [2].

Недостатком данного датчика можно считать его сложность изготовления и сложность стабилизации его параметров в интервале рабочих температур.

Задача полезной модели - стабилизация параметров в интервале рабочих температур и повышение чувствительности.

Поставленная задача достигается тем, что в газовом сенсоре, содержащем подложку с нанесенными на ее поверхность слоями и контактными площадками, дополнительно введен корпус, состоящий из основания, на котором размещена подложка, выполненная в виде кварцевого кристаллического элемента и закрепленная на основании при помощи токопродящего клея, и крышки, подложка выполнена круглой формы с параллельными поверхностями из пьезоэлектрического кварца AT-среза в форме инвертированной мезаструктуры, в центре каждой из поверхностей один под другим (путем их последовательного напыления в вакууме) сформирован чувствительный слой, на одной из поверхностей размещены терморезистор и нагреватель, причем в качестве чувствительного слоя используется сорбент на основе тонкой пленки силиконового масла и палладия, при этом крышка корпуса выполнена с вентиляционными отверстиями, размещенными по всему периметру крышки корпуса, контактные площадки выполнены в виде токоотводов, нанесенных в помощью термовакуумного напыления. Поставленная задача достигается также тем, что вентиляционные отверстия выполнены диаметром 0,5 мм, в качестве терморезистора используется бусинковый терморезистор, нагреватель выполнен в виде слоя нихрома либо в качестве терморезистора и нагревателя используется пленочный варистор.

Достигаемым техническим результатом является повышение чувствительности в промышленном диапазоне температур за счет равномерного нагрева и стабилизации температуры чувствительного элемента (подложки) при помощи термостатирования, которое достигается конструкцией микротермостата, которую создают терморезистор с нагревателем.

На фигуре представлена конструкция предлагаемого устройства, содержащая корпус 1 с основанием 2 и крышкой 3. На основании 2 размещена подложка 4, выполненная из пьезоэлектрического кварца АТ-среза в форме инвертированной мезаструктуры, на которой сформирован чувствительный слой 5 и размещены терморезистор 6 и нагреватель 7, контактные площадки 8, выполненные в виде токоотводов. Крышка 3 корпуса 1 выполнена с вентиляционными отверстиями 9, размещенными по всему периметру крышки корпуса 1.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. В сенсоре используется зависимость распространения объемной акустической волны в кварцевой подложке 4 от измененения массы чувствительного (каталитического) слоя 5. На нагреватель 7 подается напряжение питания, вследствие чего происходит разогрев чувствительного слоя 5.

Принцип работы газового сенсора основан на протекании сорбционных процессов на поверхности силиконового масла и палладия, нанесенного на электродное покрытие подложки 4 из пьезоэлектрического кварцевого кристалла и вызывающих изменение ее массы, и, как следствие, изменения периода колебаний (частоты) пьезоэлектрического кварцевого кристалла, включенного в автогенераторную схему. Микротермостат необходим для исключения влияния температуры окружающей среды на параметры газового сенсора. Повышение разрешающей способности и чувствительности газового сенсора достигается за счет повышения диапазона рабочей частоты подложки 4 из пьезоэлектрического кварцевого кристалла, выполненного его в форме, так называемой, обратной мезаструктуры.

Источники информации

1. Патент РФ 2114422, кл. G01N 27/12, 1998 г.

2. Патент РФ 2231779, кл. G01N 27/12, 2004 г.

1. Газовый сенсор, содержащий подложку с нанесенными на ее поверхность слоями и контактными площадками, отличающийся тем, что дополнительно введен корпус, состоящий из основания, на котором размещена подложка, выполненная в виде кварцевого кристаллического элемента и закрепленная на основании при помощи токопродящего клея, и крышки, подложка выполнена круглой формы с параллельными поверхностями из пьезоэлектрического кварца AT-среза в форме инвертированной мезаструктуры, в центре каждой из поверхностей один под другим сформирован чувствительный слой, на одной из поверхностей размещены терморезистор и нагреватель, причем в качестве чувствительного слоя используется сорбент на основе тонкой пленки силиконового масла и палладия, при этом крышка корпуса выполнена с вентиляционными отверстиями, размещенными по всему периметру крышки корпуса, контактные площадки выполнены в виде токоотводов, нанесенных с помощью термовакуумного напыления.

2. Газовый сенсор по п.1, отличающийся тем, что вентиляционные отверстия выполнены диаметром 0,5 мм.

3. Газовый сенсор по п.1, отличающийся тем, что в качестве терморезистора используется бусинковый терморезистор, а нагреватель выполнен в виде слоя нихрома.

4. Газовый сенсор по п.1, отличающийся тем, что в качестве терморезистора и нагревателя используется пленочный варистор.