RU174115U1

RU174115U1 - Flexible Integrated Gas Ozone Sensor

Info

Publication number: RU174115U1
Application number: RU2017105935U
Authority: RU
Inventors: Максим Юрьевич Арсентьев; Петр Алексеевич Тихонов; Марина Владимировна Калинина; Людмила Викторовна Морозова; Надежда Юрьевна Ковалько; Татьяна Леонидовна Егорова; Анастасия Владимировна Паляницина
Priority date: 2017-02-21
Filing date: 2017-02-21
Publication date: 2017-10-02

Abstract

Гибкий интегральный газовый сенсор озона относится к устройствам озонометрии и может найти применение в медицинской технике, в промышленной технологии, в очистке питьевой воды, измерительной технике, в экологических системах сбора и отображения информации о состоянии атмосферного воздуха промышленного региона, и предназначен для использования в системе атмосфероохранных мероприятий для оперативного выявления источников загрязнения атмосферы. Гибкий интегральный газовый сенсор озона включает чувствительный и преобразовательные элементы. Чувствительный элемент выполнен в виде газочувствительного слоя на основе пленки состава InO-SnO, размещенной на диэлектрической подложке с подогревом до температуры 320-340 K. Преобразовательный элемент выполнен в виде прижимных пористых электродов из пеноникеля, снабженных металлическими контактами и токовыводами для соединения с прибором измерения электрического сопротивления. Датчик, согласно изобретению, может быть использован для контроля за состоянием здоровья человека в носимых электронных устройствах, обладать способностью обнаружения загрязняющих веществ, токсичных и горючих газов, обладать свойствами гибкости, прозрачности, и способностью работать при температуре, близкой к комнатной. 1 ил.The flexible integral gas ozone sensor relates to ozonometry devices and can be used in medical technology, industrial technology, drinking water purification, measuring technology, environmental systems for collecting and displaying information on the state of atmospheric air in an industrial region, and is intended for use in an environmental protection system measures for the rapid identification of sources of air pollution. A flexible integrated gas ozone sensor includes sensitive and converting elements. The sensitive element is made in the form of a gas sensitive layer based on a film of InO-SnO composition, placed on a dielectric substrate heated to a temperature of 320-340 K. The conversion element is made in the form of pressure-sensitive porous nickel electrodes equipped with metal contacts and current leads for connection to an electric measuring device resistance. The sensor according to the invention can be used to monitor human health in wearable electronic devices, have the ability to detect pollutants, toxic and combustible gases, have the flexibility, transparency, and the ability to work at temperatures close to room temperature. 1 ill.

Description

Полезная модель относится к устройствам озонометрии, а именно, к датчикам озона в воздушной и кислородной среде и может найти применение для определения концентрации озона в медицинской технике, в промышленной технологии, в очистке питьевой воды, измерительной технике, в экологических системах сбора и отображения информации о состоянии атмосферного воздуха промышленного региона, и предназначена для использования в системе атмосфероохранных мероприятий для оперативного выявления источников загрязнения атмосферы.The utility model relates to ozonometry devices, namely, to ozone sensors in air and oxygen and can be used to determine the concentration of ozone in medical equipment, in industrial technology, in drinking water purification, measuring equipment, in ecological systems for collecting and displaying information about the state of atmospheric air in the industrial region, and is intended for use in the system of atmospheric protection measures for the rapid identification of sources of air pollution.

Для оценки новизны заявленного решения рассмотрим ряд известных технических средств аналогичного назначения, характеризуемых совокупностью сходных с заявленным устройством признаков.To assess the novelty of the claimed solution, we consider a number of well-known technical devices of a similar purpose, characterized by a combination of features similar to the claimed device.

Недостатком известных систем экологических системах сбора и отображения информации о состоянии атмосферного воздуха промышленного региона в системе атмосфероохранных мероприятий для оперативного выявления источников загрязнения атмосферы является ограниченная область применения за счет контроля определенного вида параметров и использования ограниченного типа каналов связи. Датчики известных систем не имеют возможности определять уровень дозы поглощенного активного кислорода, образующегося при распаде озона (O3->O2+O).A disadvantage of the known systems of ecological systems for collecting and displaying information about the state of atmospheric air of an industrial region in the system of atmospheric protection measures for the prompt identification of sources of air pollution is the limited scope due to the control of a certain type of parameters and the use of a limited type of communication channels. Sensors of known systems do not have the ability to determine the dose level of absorbed active oxygen generated during the decomposition of ozone (O3-> O2 + O).

Известно устройство для регистрации озона по патенту US №4885929, которое состоит из датчика для контакта с детектируемым газом и индикатора для индикации концентрации озона. Датчик является полупроводниковым элементом пленочного типа и состоит из подложки, на которую нанесен полупроводящий слой оксида индия. На этот слой сверху нанесен металл переходной группы или его оксид, на который, в свою очередь, нанесен оксид кремния. Полученные слои высушивают, а затем стабилизируют нагреванием. С обратной стороны подложки нанесены платиновые нагреватели для нагрева датчика в процессе измерения. Недостатками этого устройства являются: необходимость нагревания датчика при проведении измерений, необходимость формирования сложной многослойной пленки из различных материалов с удовлетворительной адгезией применяя оксиды различных металлов, в том числе дорогостоящего оксида индия.A device for detecting ozone according to US patent No. 4885929 is known, which consists of a sensor for contact with the detected gas and an indicator for indicating ozone concentration. The sensor is a film-type semiconductor element and consists of a substrate on which a semiconductor layer of indium oxide is deposited. On this layer, a metal of the transition group or its oxide is deposited on top, on which, in turn, silicon oxide is deposited. The resulting layers are dried and then stabilized by heating. Platinum heaters are applied on the reverse side of the substrate to heat the sensor during the measurement process. The disadvantages of this device are: the need to heat the sensor during measurements, the need to form a complex multilayer film of various materials with satisfactory adhesion using oxides of various metals, including expensive indium oxide.

Известен способ определения озона в воздухе в присутствии хлора и окислов азота по патенту РФ №2088911, включающий измерение электропроводности пленки оксида индия с добавкой 3-6 мол. оксида железа, нанесенной на диэлектрическую подложку, который характеризуется тем, что измерения ведут при 170-220°C, а в качестве оксида железа используют

- модификацию оксида железа со структурой типа шпинели.A known method for the determination of ozone in air in the presence of chlorine and nitrogen oxides according to the patent of the Russian Federation No. 2088911, including measuring the electrical conductivity of the film of indium oxide with the addition of 3-6 mol. iron oxide deposited on a dielectric substrate, which is characterized in that the measurements are carried out at 170-220 ° C, and as iron oxide is used

- modification of iron oxide with a spinel type structure.

Недостатками этого устройства являются сложность технологии изготовления датчика озона, а также то, что измерения проводят при высокой температуре датчика в присутствии хлора и окислов азота.The disadvantages of this device are the complexity of the manufacturing technology of the ozone sensor, as well as the fact that the measurements are carried out at a high temperature of the sensor in the presence of chlorine and nitrogen oxides.

Задачей полезной модели является создание сенсора озона с упрощенной технологией его изготовления.The objective of the utility model is to create an ozone sensor with a simplified manufacturing technology.

Сущность заявленного технического решения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения указанного выше обеспечиваемого изобретением технического результата.The essence of the claimed technical solution is expressed in the following set of essential features, sufficient to achieve the above technical result provided by the invention.

Согласно полезной модели гибкий интегральный газовый сенсор озона, включающий чувствительный и преобразовательные элементы, характеризуется тем, что отличающийся тем, что чувствительный элемент выполнен в виде газочувствительного слоя на основе пленки состава In₂O₃-SnO₂, размещенной на диэлектрической подложке с подогревом до комнатной температуры 320-340 K, а преобразовательный элемент выполнен в виде прижимных пористых электродов из пеноникеля, снабженных металлическими контактами и токовыводами для соединения с прибором измерения электрического сопротивления.According to a utility model, a flexible integrated gas ozone sensor, including sensitive and conversion elements, is characterized in that the sensitive element is made in the form of a gas sensitive layer based on a film of the composition In ₂ O ₃ -SnO ₂ placed on a dielectric substrate heated to room temperature temperature 320-340 K, and the transducer element is made in the form of clamping porous electrodes made of foam nickel, equipped with metal contacts and current leads for connection with an electronic measuring device electrical resistance.

Заявленная совокупность существенных признаков обеспечивает достижение технического результата, который заключается в том, что заявленный сенсор работает в интегральном режиме, показывая уровень дозы поглощенного активного кислорода, образующегося при распаде озона (O3->O2+O), при этом происходит необратимое поглощение и увеличение сопротивления, достигая определенного предела чувствительности: коэффициент чувствительности - 15-70, диапазон измеряемых концентраций (50-1000ppm О₃).The claimed combination of essential features ensures the achievement of a technical result, which consists in the fact that the claimed sensor operates in an integrated mode, showing the dose level of the absorbed active oxygen generated during the decomposition of ozone (O3-> O2 + O), while there is an irreversible absorption and an increase in resistance reaching a certain limit of sensitivity: the sensitivity coefficient is 15-70, the range of measured concentrations (50-1000ppm About ₃ ).

Сущность заявленного технического решения поясняется чертежом, на котором представлен общий вид заявленного датчика.The essence of the claimed technical solution is illustrated by the drawing, which shows a General view of the claimed sensor.

Гибкий интегральный газовый сенсор озона включает чувствительный и преобразовательные элементы. Чувствительный элемент выполнен в виде газочувствительного слоя 1 на основе пленки состава In₂O₃-SnO₂, размещенной на диэлектрической подложке 2 с подогревом до комнатной температуры 320-340 K. Преобразовательный элемент выполнен в виде прижимных пористых электродов 3 из пеноникеля, снабженных металлическими контактами 4 и токовыводами 5 для соединения с прибором измерения электрического сопротивления.A flexible integrated gas ozone sensor includes sensitive and converting elements. The sensitive element is made in the form of a gas-sensitive layer 1 based on a film of the composition In ₂ O ₃ -SnO ₂ placed on a dielectric substrate 2 heated to room temperature 320-340 K. The conversion element is made in the form of pressure-sensitive porous electrodes 3 made of foam nickel equipped with metal contacts 4 and current leads 5 for connection with a device for measuring electrical resistance.

Технология изготовления заявленного сенсора состоит из нескольких этапов:The manufacturing technology of the claimed sensor consists of several stages:

1) оксидную пленку заданного состава 95 мол.% In₂O₃ - 5 мол.% SnO₂ или 90 мол.% In₂O₃ - 10 мол.% SnO₂ синтезируют по золь-гель технологии из растворов азотнокислых и хлористых солей индия и олова и наносят на диэлектрическую подложку (корунд/полиэтилентерефталат) методом спрей-пиролиза или магнетронного напыления;1) an oxide film of a given composition of 95 mol.% In ₂ O ₃ - 5 mol.% SnO ₂ or 90 mol.% In ₂ O ₃ - 10 mol.% SnO _{2 is} synthesized by sol-gel technology from solutions of indium nitrate and chloride salts of indium and tin and applied to a dielectric substrate (corundum / polyethylene terephthalate) by spray pyrolysis or magnetron sputtering;

2) закрепляют прижимные пористые электроды из пеноникеля;2) fix the clamping porous electrodes made of foam nickel;

3) размещают металлические контакты.3) place metal contacts.

Заявленный сенсор работает следующим образом.The claimed sensor operates as follows.

Работа оксидного сенсора озона основана на хемосорбции-десорбции атомов активного кислорода, образующихся при распаде молекул озона в определенных температурных условиях.The operation of the ozone oxide sensor is based on the chemisorption-desorption of active oxygen atoms formed during the decomposition of ozone molecules under certain temperature conditions.

Химический процесс десорбции кислорода и увеличения электропроводности можно представить в виде реакции:The chemical process of oxygen desorption and increase in electrical conductivity can be represented in the form of a reaction:

2In_In+3O_O↔2In_In+3V_O ⁺⁺+6e^-+3O₂.2In _In + 3O _O ↔ 2In _In + 3V _O ⁺⁺ + 6e ^- + 3O ₂ .

Данная реакция описывает как процесс десорбции кислорода, так и процесс хемосорбции.This reaction describes both the oxygen desorption process and the chemisorption process.

В атмосфере, содержащей озон, электросопротивление оксидного пленочного газового сенсора увеличивается, т.к. уменьшается концентрация носителей тока согласно уравнению:In an atmosphere containing ozone, the electrical resistance of the oxide film gas sensor increases, because decreases the concentration of current carriers according to the equation:

3O+2In_In+3V_O ⁺⁺+6e^-→2In_In+3O_O.3O + 2In _In + 3V _O ⁺⁺ + 6e ^- → 2In _In + 3O _O.

Данный процесс в интегральном газовом сенсоре идет необратимо. При использовании невысоких рабочих температур (320-340 K), происходит накопление точечных дефектов, ответственных за изменение электронной проводимости, а значение сигнала соответствует дозе поглощенного активного кислорода и соответственно озона.This process in the integrated gas sensor is irreversible. When using low operating temperatures (320-340 K), the point defects responsible for the change in electronic conductivity accumulate, and the signal value corresponds to the dose of absorbed active oxygen and, accordingly, ozone.

Поверхность датчика можно восстановить для новых измерений путем воздействия восстанавливающих химических реагентов (разбавленные водные растворы SnCl2, FeSO4, сернистой кислоты и ее солей, нашатырный спирт и катодным восстановлением в электрохимической ячейке.The sensor surface can be restored for new measurements by exposure to reducing chemicals (dilute aqueous solutions of SnCl2, FeSO4, sulfurous acid and its salts, ammonia and cathodic reduction in an electrochemical cell.

Функционирование твердотельных сенсоров озона основано на хемосорбции атомов активного кислорода, образующихся при распаде молекул озона в определенных температурных условиях хемосорбция атомов кислорода на поверхности оксидных пленок, приводит к изменению их электрофизических и оптических свойств.The functioning of solid-state ozone sensors is based on the chemisorption of active oxygen atoms generated during the decomposition of ozone molecules under certain temperature conditions, the chemisorption of oxygen atoms on the surface of oxide films leads to a change in their electrophysical and optical properties.

Заявленный датчик может быть использован для контроля за состоянием здоровья человека в носимых электронных устройствах, обладать способностью обнаружения загрязняющих веществ, токсичных и горючих газов, обладать свойствами гибкости, прозрачности, и способностью работать при температуре, близкой к комнатной, что является недоступным для традиционных газовых датчиков.The claimed sensor can be used to monitor human health in wearable electronic devices, have the ability to detect pollutants, toxic and combustible gases, have the properties of flexibility, transparency, and the ability to work at temperatures close to room temperature, which is not available for traditional gas sensors .

Заявленный датчик обладает повышенными функциональными характеристиками: низким энергопотреблением, гибкостью, малым весом, новым областям применения в качестве носимой электроники.The claimed sensor has enhanced functional characteristics: low power consumption, flexibility, low weight, new applications as wearable electronics.

Заявленное устройство может быть реализовано с использованием известного оборудования, известных технических и технологических средств.The claimed device can be implemented using known equipment, known technical and technological means.

Claims

Flexible integral gas ozone sensor, including sensitive and converting elements, characterized in that the sensitive element is made in the form of a gas-sensitive layer based on a film of composition In ₂ O ₃ -SnO ₂ placed on a dielectric substrate with heating, and the converter element is made in the form of pressure porous foam nickel electrodes equipped with metal contacts and current leads for connection to an electrical resistance measuring device.