ES2212407T3 - Sensor de gas para detectar dioxido de carbono mediante la medicion del trabajo de extraccion de carbonatos o fosfatos. - Google Patents
Sensor de gas para detectar dioxido de carbono mediante la medicion del trabajo de extraccion de carbonatos o fosfatos.Info
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Abstract
PARA LA DETECCION DE CO 2 EN MEZCLAS DE GAS ES DESEABLE LA UTILIZACION DE UN SENSOR DE GAS MINIATURIZADO CON POCA RECEPCION DE POTENCIA. LAS CELDAS ELECTROQUIMICAS Y SISTEMAS OPTICOS SON GRANDES EN SU MONTAJE. LA COMBINACION DEL PRINCIPIO DE LA MEDICION DE TRABAJO DE SALIDA CON UNA CAPA SENSITIVA DE GAS A PARTIR DE UN CARBONATO O UN FOSFATO PERMITE UNIDADES DE SENSOR PEQUEÑAS, QUE PUEDEN SER OPERADAS EN TEMPERATURA AMBIENTE. LAS UNIDADES SENSIBLES TRANSVERSALMENTE, ESPECIALMENTE EN PRESENCIA DE HUMEDAD, NO PUEDEN SER APLICADAS. LAS CONFIGURACIONES HAN PREVISTO LA UTILIZACION DE TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO SENSITIVOS DE GAS O DE SONDAS KELVIN, QUE CONTIENEN UNA CAPA SENSITIVA DE GAS CORRESPONDIENTE.
Description
Sensor de gas para detectar dióxido de carbono
mediante la medición del trabajo de extracción de carbonatos o
fosfatos.
La invención se refiere a un sensor para detectar
dióxido de carbono en mezclas de gases, especialmente en el
aire.
En muchos campos existe la necesidad de detectar
el dióxido de carbono. Por ejemplo, de esta manera se lleva a cabo
el control del aire interior en ambientes interiores, para
determinar la calidad del aire interior o para regular los
dispositivos de ventilación o los equipos de climatización. Por
ejemplo, un valor límite para el dióxido de carbono es de 1000 ppm.
Además, el dióxido de carbono gaseoso está presente en el
almacenamiento de alimentos y en invernaderos, donde se añade al
aire y debe controlarse su concentración.
En general, los sensores de dióxido de carbono se
utilizan, por un lado, para regular la concentración en estas
aplicaciones y, por otro lado, se requieren sensores en los
aparatos avisadores portátiles personales, con lo que las personas
con los aparatos avisadores trabajan en los campos de aplicación
correspondientes. Además, tales aparatos avisadores podrían
utilizarse en campos, en los que las personas están en contacto con
el gas CO_{2} en altas concentraciones, por ejemplo en el margen
de los valores porcentuales. A este respecto se deben mencionar los
silos o las bodegas, en los que existe un peligro de muerte si no
se lleva a cabo un control del dióxido de carbono.
Por ejemplo, los sensores de dióxido de carbono
conocidos hasta el momento se representan mediante células
electroquímicas. A este respecto debe mencionarse la reacción de
nasicon (NaO_{2}) con CO_{2}. Por otro lado, existen sistemas
ópticos que se utilizan para la detección, mediante la adsorción
selectiva en la banda del infrarrojo de una banda en el espectro del
dióxido de carbono. Las desventajas de los dos sistemas son, por un
lado, el precio elevado y, por otro lado, el tamaño de la
estructura del sensor, mediante lo cual se dificulta, ante todo, el
uso como aparato avisador personal.
Por un lado, los sensores de gas miniaturizados,
que se basan en mediciones resistivas en óxidos metálicos
semiconductores, tienen el problema de la elevada absorción
eléctrica de potencia para el calentamiento de los sensores y, por
otro lado, el dióxido de carbono se detecta únicamente de forma
insuficiente mediante los materiales conocidos y utilizados
generalmente para la capa sensible al gas en un sensor de este
tipo, como por ejemplo dióxido de estaño, óxido de galio, titanato
de estroncio... Además, los hidrocarburos provocan, en general,
interferencias. Esto se basa en que el dióxido de carbono produce
en los óxidos metálicos semiconductores, mediante la inyección de
electrones al adsorber el gas, únicamente una pequeña alteración de
la conductividad de estos materiales, contrariamente a los gases
reductores como los hidrocarburos o el monóxido de carbono. Por
tanto, no se cuenta con un perfeccionamiento apropiado de los
sistemas existentes, tampoco mediante el desarrollo de otros óxidos
metálicos.
Además, se conocen sensores de gas según el
principio del trabajo de extracción, como la sonda kelvin, SGFET o
CCFET (por ejemplo a partir del documento DE 4444607).
El objetivo de la invención consiste en
proporcionar un sensor de dióxido de carbono en forma miniaturizada
con propiedades de medición mejoradas.
La solución de esta tarea tiene lugar mediante
las características de la reivindicación 1.
Las configuraciones ventajosas se desprenden de
las reivindicaciones dependientes.
La invención se basa en el conocimiento de que,
en relación con la medición del trabajo de extracción para la
detección de un gas, como capa sensible al gas debe utilizarse un
carbonato o un fosfato. Hasta el momento se han utilizado
carbonatos, especialmente carbonato de sodio y carbonato de bario,
como componentes en células electroquímicas para la detección de
CO_{2}, por ejemplo Fabin Qiu et al. Sensors aud Actuators
B 45 (1997), 233-238. Los carbonatos no muestran
ninguna conductividad, por tanto no pueden utilizarse con éxito
como materiales resistivos, sensibles al gas. Sin embargo ofrecen
buenos parámetros de medición como materiales aislantes, a través
de la alteración del trabajo de extracción en la superficie al
adsorber el gas. Lo mismo es válido para los fosfatos. De esta
manera, los carbonatos y fosfatos no conductores pueden utilizarse
de manera ventajosa para la detección en sensores de gas, con lo
que un sensor de este tipo, con una capa sensible al gas de un
carbonato o de un fosfato, puede miniaturizarse, funciona sin
calentamiento eléctrico y es sencillo de fabricar.
En el marco de la invención se utilizan
carbonatos o fosfatos, por ejemplo como parte del aislamiento de la
puerta (revestimiento de la puerta) en transistores de efecto de
campo sensibles al gas. En el presente documento, debe mencionarse
especialmente el transistor híbrido de efecto de campo de puerta
suspendida (HSGFET). Hasta el momento, en tales transistores de
efecto de campo sensibles al gas se han investigado como capas
sensibles al gas únicamente metales, óxidos metálicos o compuestos
orgánicos. Sin embargo, éstos no mostraron una reacción
significante frente al dióxido de carbono. Especialmente, los
óxidos metálicos no reaccionan frente al CO_{2} ni en el caso del
método selectivo mediante alteraciones de la conductividad
(mediciones resistivas) ni mediante alteraciones del trabajo de
extracción. Los carbonatos y los fosfatos sí reaccionan frente a
alteraciones del trabajo de extracción al modificar la
concentración de CO_{2}.
Los carbonatos, cuyos componentes de CO_{2} en
la superficie están en equilibrio con el dióxido de carbono
gaseoso, pueden utilizarse de manera especialmente ventajosa para
un sensor de CO_{2}. Esta observación puede realizarse de forma
análoga al equilibrio entre el oxígeno de la red de los óxidos
metálicos y el oxígeno del aire.
Como disposición que contiene un carbonato o un
fosfato como capa sensible al gas, puede utilizarse una sonda
kelvin. En su forma actual, una sonda que funcione según el método
kelvin es esencialmente muy grande y costosa. Un transistor de
efecto de campo sensible al gas, construido según la invención,
representa una posibilidad ventajosa para medir el trabajo de
extracción. En lo anterior, una alteración del trabajo de
extracción contribuye adicionalmente a la tensión de la puerta,
mediante lo cual se modifica la corriente de
fuente-drenaje. Especialmente el uso de un HSGFET
conduce a un sistema de medición sencillo, debido a que una capa
sensible al gas, de este tipo, es fácilmente representable.
A continuación se describen ejemplos de
realización mediante figuras esquemáticas.
La figura 1 muestra un corte transversal a través
de un transistor de efecto de campo sensible al
gas,
gas,
la figura 2 muestra una vista fragmentaria del
desarrollo de una medición para alterar el trabajo de extracción en
la detección de CO_{2}.
Basándose en el método de medición, medición del
trabajo de extracción en la adsorción superficial de gas, se
produce una capa sensible al gas de un carbonato o de un fosfato.
En cuanto a los carbonatos se prefieren carbonato de sodio y
carbonato de bario. En cuanto a los fosfatos se utiliza
preferiblemente apatita o hidroxiapatita, con cationes metálicos,
tales como estroncio, calcio o bario. Además, pueden utilizarse
otros carbonatos. En general, los carbonatos y los fosfatos son
materiales ideales para representar una capa sensible al gas de un
sensor descrito.
Por ejemplo, si se produce una sonda kelvin con
una capa sensible al gas, de un cuerpo cerámico prensado de
carbonato de bario, con un espesor de 1 mm, entonces puede medirse
el efecto deseado, sensible al gas, a temperatura ambiente. En el
caso de un valor de la máxima concentración en el lugar de trabajo
(MAK) del 0,5% de dióxido de carbono, se registra un efecto medido
de hasta 0,07 mV. Especialmente, los hidrocarburos no causan
interferencia en este intervalo de temperaturas.
Los casos de aplicación más importantes para una
capa sensible al gas, de un carbonato o un fosfato, son por un
lado, un transistor de efecto de campo y, por otro lado, una sonda
kelvin. En el caso de un transistor de efecto de campo, la
correspondiente capa sensible al gas es un componente del
aislamiento de la puerta. En el caso de una sonda kelvin, la capa
sensible al gas es un electrodo de condensador, en ella.
En el caso de una capa de carbonato, la
sensibilidad que se puede medir en presencia de humedad se basa en
un equilibrio carbonato-hidróxido en la superficie.
Como capas para un sensor de dióxido de carbono son concebibles
capas delgadas de carbonato. Generalmente, las capas sensibles al
gas están dispuestas sobre portadores, de manera que se encuentren,
por ejemplo, capas de carbonato superficial en los sensores
descritos.
En la figura 1 se muestra un transistor híbrido
de efecto de campo, sensible al gas, con puerta suspendida. Éste
está compuesto por el propio transistor de efecto de campo y un
transistor de referencia. Están señalados una zona 3 de drenaje
común, fuentes S1, S2, bastidor 8, anillo 6 de seguridad y un
acceso 5 de gas. En este caso, la fuente S2 está dispuesta
enfrentada a la capa 1 sensible al gas, con lo que la fuente S1
representa el FET (transmisor de efecto de campo) de referencia. La
estructura completa está realizada sobre una base de silicio. La
puerta 7 de silicio híbrida está conformada en relación al acceso 5
de gas, de manera que la corriente de gas pueda llegar a la capa 1
sensible al gas, que está contenida en el espacio intermedio entre
la puerta 7 de silicio híbrida y el cuerpo de base, que contiene el
drenaje 3 y las fuentes S1, S2. En cuanto a la técnica de
fabricación, el problema consiste en la representación de la capa 1
sensible al gas en este lugar.
La figura 2 muestra una vista fragmentaria del
desarrollo de una medición para alterar el trabajo de extracción de
cuerpos prensados de carbonato con el método kelvin, en el caso de
un recubrimiento con dióxido de carbono. A lo largo del tiempo t de
medición, están representadas las concentraciones de CO_{2}, así
como la señal \Delta \varphi medida.
Claims (6)
1. Sensor de gas para detectar monóxido de
carbono, en el que se mide el trabajo de extracción de una capa
sensible al gas, estando compuesta la capa por una fase sólida de
un carbonato o un fosfato.
2. Sensor de gas según la reivindicación 1, en el
que la capa sensible al gas está compuesta por carbonatos de litio,
sodio, magnesio, calcio, estroncio, bario, manganeso, cobalto,
níquel o cobre.
3. Sensor de gas según la reivindicación 1, en el
que la capa sensible al gas está compuesta, en el caso de los
fosfatos, por apatita o hidroxiapatita con estroncio o calcio o
bario o una combinación de los mismos como cationes metálicos.
4. Sensor de gas según una de las
reivindicaciones anteriores, en el que la capa sensible al gas, en
un transistor de efecto de campo (FET), está representada como
componente del aislamiento de la puerta.
5. Sensor de gas según la reivindicación 4, en el
que el transistor de efecto de campo es un FET de puerta suspendida
(SGFET), un SGFET híbrido (HSGFET) o un FET acoplado
capacitivamente
(CCFET).
(CCFET).
6. Sensor de gas según una de las
reivindicaciones 1 a 3, en el que la capa sensible al gas está
representada como electrodo de condensador en una sonda kelvin.
Applications Claiming Priority (2)
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Family Applications (1)
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