Ионизационный газовый сенсор на основе углеродных нанотрубок

Авторы патента:


 

Задача предполагаемой полезной модели - повышение напряженности электрического поля в воздушном зазоре между анодом и катодом, повышение энергоэффективности, повышение температуростойскости работы сенсора и улучшение стабильности работы. Технический результат достигается за счет: уменьшения воздушного зазора, позволяющего повысить напряженность поля, снизить рабочие напряжения и повысить энергоэффективность работы сенсора; применения неорганического материала для обеспечения изоляции между анодом и катодом, позволяющего выдерживать повышенные температуры по сравнению с неорганическим материалом; использования массива углеродных нанотрубок в качестве анода и как следствие, увеличение стабильности работы сенсора и уменьшения скорости деградации углеродных нанотрубок за счет снижения вклада электронов инжектированных с углеродных нанотрубок при детектировании тока. Положительный экономический эффект выражен в повышении энергоэффективности работы прибора за счет снижения рабочего напряжения при уменьшении зазора между анодом и катодом, и как следствие, повышения напряженности электрического поля вблизи вершин углеродных нанотрубок, расширении диапазон температур работы сенсора, за счет применения неорганического материала изолятора, а также увеличении стабильности работы сенсора при использовании массива углеродных нанотрубок в качестве анода, за счет снижения вклада заряда электронов, инжектированных с вершин углеродных нанотрубок, в детектируемый ток.

Предполагаемая полезная модель относится к области газовых сенсоров, а более конкретно к сенсорным устройствам ионизационного типа и может быть использована при производстве сенсоров, изготавливаемых по полупроводниковой микроэлектронной технологии, предназначенных для детектирования и измерения газовых параметров в воздушный средах.

Известен газовый сенсор с чувствительным элементом на основе углеродных нанотрубок [US Patent US 2010/0213954 A1 от 26 августа 2010 года], содержащий катод, выполненный из металла, анод, выполненный из металла, углеродные нанотрубки, первый проводящий контактный слой, второй проводящий контактный слой. Углеродные нанотрубки выполняют функцию чувствительного элемента и жестко зафиксированы между анодом и катодом с помощью первого и второго проводящего слоев.

Данный газовый сенсор с чувствительным элементом из углеродных нанотрубок позволяет детектировать присутствие газов и их примесей за счет изменения проводимости чувствительного элемента при адсорбции газовых молекул и атомов на углеродные нанотрубки.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого объекта, являются:

а) анод;

б) катод;

в) контактный слой;

г) углеродные нанотрубки.

Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: невозможность детектирования газов, не адсорбировавшихся на углеродные нанотрубки, отсутствие селективности газов по проводимости углеродных нанотрубок, сложность технологического процесса формирования анода, катода и проводящих слоев к углеродным нанотрубкам.

Функциональным аналогом заявляемого объекта является ионизационный газовый сенсор с чувствительным элементом на основе углеродных нанотрубок [Modi A, Koratkar N, Lass E, Wei B, Ajayan P.M. "Miniaturized Gas Ionization Sensors using Carbon Nanotubes", Шитте, 2003, 424, pp. 171-174] содержащий катод, выполненный из алюминия, подложку, выполненную из оксида кремния, анод, выполненный из углеродных нанотрубок, изолятор, выполненный из диэлектрического материала, воздушный зазор между анодом и катодом, одиночный канал для циркуляции газа.

Данная конструкция ионизационного газового сенсора позволяет детектировать присутствие газа определенного сорта. При достижении напряжения пробоя, молекулы газа, попавшие в одиночный канал между анодом и катодом, переходят в возбужденное состоянии, и, как следствие, происходит увеличение тока проходящего через анод. При этом, каждому сорту газа соответствует определенное напряжение пробоя, а применение углеродных нанотрубок в качестве материала катода позволяет повысить напряженность поля в зазоре между анодом и катодом.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемой полезной модели, являются:

а) катод;

б) подложка;

б) анод;

в) углеродные нанотрубки;

г) изолятор;

д) воздушный зазор.

Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: высокие рабочие напряжения, большое расстояние зазора между анодом и катодом, одиночный канал для циркуляции газов.

Из известных наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является газовый сенсор ионизационного типа с чувствительным элементом на основе углеродных нанотрубок [Kim S. «CNT sensors for detecting gases with low adsorption energy by ionization», Sensors, 2006, vol. 6, 5, pp. 503-513,] содержащий подложку, выполненную из высоколегированного кремния n+-типа, со сформированным на ней контактным слоем, выполненным из титана, обеспечивающим контакт к катоду, катод, углеродные нанотрубки, сформированные на катоде, изолятор, выполненный из органического стекла покрытого анодированным алюминием, анод, выполненный из высоколегированного кремния p+ -типа, воздушный зазор с расстоянием между анодом и катодом в 500 мкм, каналы для циркуляции газа, расположенные с торцевых сторон газового сенсора.

Данная конструкция ионизационного газового сенсора позволяет детектировать присутствие газа определенного сорта, при создании разности потенциалов между анодом и катодом, где в сильном электрическом поле электроны, возникающие при движении от катода к аноду, разгоняются до энергии, достаточной для ионизации молекул газа, при этом сорт газа попавшего в зазор через каналы для циркуляции, определяется по величинам тока и напряжению пробоя.

Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого объекта, являются:

а) подложка;

б) контактный слой;

в) катод;

г) углеродные нанотрубки;

д) изолятор;

е) анод;

ж) воздушный зазор;

з) каналы для циркуляции газа, расположенные с торцевых сторон газового сенсора.

Причинами, препятствующими достижению технического результата являются: низкая энергоэффетивность за счет слабой напряженности электрического в большом воздушном зазоре между анодом и катодом, низкая температуростойкость сенсора при использовании органического материала для обеспечения изоляции между анодом и катодом, высокая скорость деградации и низкая стабильность работы при использовании углеродных нанотрубок в качестве катода.

Задача предполагаемой полезной модели - повышение напряженности электрического поля в воздушном зазоре между анодом и катодом, повышение энергоэффективности, повышение температуростойскости работы сенсора и улучшение стабильности работы.

Технический результат достигается за счет: уменьшения воздушного зазора, позволяющего повысить напряженность поля, снизить рабочие напряжения и повысить энергоэффективность работы сенсора; применения неорганического материала для обеспечения изоляции между анодом и катодом, позволяющего выдерживать повышенные температуры по сравнению с неорганическим материалом; использования массива углеродных нанотрубок в качестве анода и как следствие, увеличение стабильности работы сенсора и уменьшения скорости деградации углеродных нанотрубок за счет снижения вклада электронов инжектированных с углеродных нанотрубок при детектировании тока.

Для достижения необходимого технического результата в ионизационном газовом сенсоре, состоящем из подложки, со сформированным на ней контактным слоем, выполненным из проводящего материала, обеспечивающего контакт к катоду, катод, углеродные нанотрубоки, изолятор, анод, воздушный зазор между анодом и катодом, каналы для циркуляции газа расположенные с торцевых сторон газового сенсора в качестве изолятора используется неорганический материал, выполненный из диэлектрика, величина воздушного зазора между анодом и катодом уменьшается, а в качестве анода используются углеродные нанотрубки.

На Фиг. 1, 2, 3 приведены разрезы ионизационного сенсора газа.

Ионизационный газовый сенсор (Фиг. 1) содержит подложку 1, выполненную из проводящего или полупроводникового материала, со сформированным контактным слоем 2, выполненным из проводящего материала, на котором выращивается массив углеродных нанотрубок 3, который выступает в качестве анода, при этом воздушный зазор 7 между анодом 3 и катодом 5 обеспечивается изолятором 4, выполненным из диэлектрического неорганического материала. Попадание газа в сенсор осуществляется через каналы 6, расположенные со всех четырех сторон газового сенсора (Фиг. 2).

Работает ионизационный газовый сенсор следующим образом.

Молекулы газа попадают в сенсор через каналы, расположенные с четырех боковых сторон газового сенсора. При подаче напряжения между анодом и катодом возникает высокая напряженность электрического поля. Для каждого газа существует определенное значения напряжения пробоя, связанное законом Пашена с концентрацией газа (давлением). Углеродные нанотрубки вследствие их малого радиуса (15-40 нм) и высокого аспектного отношения (1:100 и выше), создают искажение электрического поля с высокой напряженностью поля вблизи своих вершин. Повышению напряженности электрического поля также способствует уменьшение расстояния между анодом и катодом по сравнению с прототипом. Электроны, двигаясь под действием электрического поля от катода к аноду сталкиваются с газовыми молекулами вызывают их ионизацию. При этом, контроль силы тока позволяет поддерживать стабильную работу прибора без перегрева и деградации составных элементов газового сенсора.

Таким образом, предлагаемое устройство представляет собой ионизационный газовый сенсор на основе углеродных нанотрубок, позволяющий детектировать присутствие газов различного сорта.

Таким образом, по сравнению с аналогичными устройствами, предлагаемый ионизационный газовый сенсор позволяет повысить энергоэффективность работы прибора за счет снижения рабочего напряжения при уменьшении зазора между анодом и катодом, и как следствие, повышения напряженности электрического поля вблизи вершин углеродных нанотрубок, расширить диапазон температур работы сенсора, за счет применения неорганического материала изолятора, а также увеличить стабильность работы сенсора при использовании массива углеродных нанотрубок в качестве анода, за счет снижения вклада заряда электронов, инжектированных с вершин углеродных нанотрубок, в детектируемый ток.

Ионизационный газовый сенсор, состоящий из подложки, со сформированным на ней контактным слоем, выполненным из проводящего материала, обеспечивающего контакт к катоду, катода, углеродных нанотрубок, изолятора, анода, воздушного зазора между анодом и катодом, каналов для циркуляции газа, расположенных с торцевых сторон газового сенсора, отличающийся тем, что в качестве изолятора используется неорганический материал, выполненный из диэлектрика, величина воздушного зазора между анодом и катодом уменьшается, а в качестве анода используются углеродные нанотрубки.

РИСУНКИ



 

Похожие патенты:
Наверх