RU219029U1 - Сверхчувствительный датчик токсичных газов на основе низкоразмерных материалов - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности к детектирующим устройствам, и может быть использована в измерительных устройствах для контроля состава отходящих газов в промышленном оборудовании различного профиля, промышленных выбросов, измерения концентраций вредных и токсичных газов на производствах, экологического мониторинга. Резистивный высокочувствительный детектор токсичных газов, содержащий чувствительный элемент, выполненный в виде отшелушенного в диметилформамиде дисульфида вольфрама, нанесенного на оксидированную кремниевую подложку с заранее сформированными на ее поверхности гребенчатыми электродами с помощью диэлектрофореза имеет планарные электроды из хрома, при этом форма и расстояние между электродами, а также материал напыляемого металла могут быть различными. Также вместо оксидированной кремниевой подложки может быть использовано стекло. 3 ил.

Description

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности к детектирующим устройствам, и может быть использована в измерительных устройствах для контроля состава отходящих газов в промышленном оборудовании различного профиля, промышленных выбросов, измерения концентраций вредных и токсичных газов на производствах, экологического мониторинга.

Известен полупроводниковый газоанализатор, созданный на основе полупроводникового основания из поликристаллической пленки селенида цинка, легированной селенидом кадмия, и подложки из электродной площадки пьезокварцевого резонатора. Упомянутое изобретение относится к области газового анализа для регистрации и измерения содержания примесей различных газов (Кировская И.А., Буданова Е.М., полупроводниковый газоанализатор, RU 2464553 С1, 2011).

Также известна технология изготовления полупроводникового датчика диоксида азота (NO2), изготовленного в виде поликристаллической пленки селенида цинка (ZnSe), нанесенной на диэлектрическую подложку (Кировская И.А., Эккерт А.О., Эккерт Р.В. Полупроводниковый датчик диоксида азота. RU 2697920 С1, 2019).

Недостатком известных газовых датчиков является длительное время отклика и/или восстановления и сложность изготовления.

Известен датчик газа на основе тонкопленочного полупроводника, синтезированного на подложке из тепло- и электроизолирующего материала. Изобретение включает в себя также термостат, электрические контакты на противоположных концах чувствительного элемента и подсоединенный к ним прибор для снятия показаний, представляющий собой вольтметр. Отличие известного газового сенсора состоит в том, что средство нагрева чувствительного элемента находится в области одного электрического контакта, а вольтметр подсоединен в области всех электрических контактов. Известный газовый сенсор может использоваться в устройствах датчиков газа, которые работают на принципе зависимости термо-ЭДС структуры чувствительного элемента от количественного и качественного состава газа (Лугин В.Г., Зарапин В.Г., Жарский И.М., тонкопленочный полупроводниковый газовый сенсор. RU 8805 U1, 1998).

Также известен полупроводниковый газоанализатор, отличающийся повышенной точностью снятия данных о газовой среде в условиях изменяющейся температуры окружающей среды (Гусельников М.Э., Анищенко Ю.В., полупроводниковый газоанализатор, RU 100274 U1, 2010).

Известен датчик газа, который представляет собой диэлектрическую подложку с расположенными на ней термодатчиком, нагревателем, чувствительным слоем и электродами для него, размещенную в металлокерамический корпус. Известный датчик газа отличается нанесенными термодатчиком и нагревателем из пластины с подслоем титана и встречно-штыревыми электродами (ВШЭ) для чувствительного элемента на диоксид кремния. Чувствительный элемент выполнен в виде пленки нанесенного на ВШЭ металлоксидного полупроводника (Рембеза С.И., Ащеулов Ю.Б., Свистова Т.В., Рембеза Е.С., Горлова Г.В., полупроводниковый датчик газов, RU 97106228 А, 1998.).

Недостатком известных изобретений является большое время отклика и восстановления, а также сложность изготовления чувствительного элемента.

Известен одноэлектродный газовый сенсор на основе окисленного титана, созданного из проволоки из титана, окисленной методом анодирования в электрохимической ячейке с целью формирования мезопористого оксидного слоя, состоящего из упорядоченных ориентированных радиально нанотрубок диоксида титана с внутренним диаметром до 150 им и со стенками толщиной до 20 нм. Таким образом получают одноэлектродный газовый сенсор, у которого в качестве измерительного и нагревательного электродов выступает проволока из титана диаметром от 50 до 250 мкм, а в качестве каталитического слоя выступает оксидный мезопористый слой из нанотрубок диоксида титана. Такой одноэлектродный сенсор дает отклик к целевым парам в виде изменения сопротивления при подаче рабочего тока в диапазоне 80-200 мА (Лашков А.В., Кочетков А.В., Васильков М.Ю., Сысоев В.В., Беляев И.В., Варежников А.С., Федоров Ф.С., Плугин И.А., Одноэлектродный газовый сенсор на основе окисленного титана, способ его изготовления, сенсорное устройство и мультисенсорная линейка на его основе, RU 2686878 С1, 2018).

Известен полупроводниковый детектор газа, состоящий из покрытого феррицианидом металла транзистора, подключенного к источнику тока и помещенного в корпус. Сопротивление трехслойной полупроводниковой структуры сильно меняется под влиянием адсорбции целевого вещества (Салуквадзе Л.В., Нориков Ю.Д., Хасапов Б.Н., Покровская С.В., Буров В.А., Егоров Б.Н., Силахтарян Н.Т., полупроводниковый детектор, SU 949463 А1, 1982.).

К недостаткам известных изобретений можно отнести достаточно большие габариты, а также сложность конструкций устройств. Кроме того, известные изобретения характеризуются отсутствием селективности сразу к нескольким типам веществ.

Задачей полезной модели является повышение чувствительности, скорости отклика и восстановления при комнатной температуре, а также уменьшение габаритных размеров первичных преобразователей (детекторов) газа.

Данная задача решается путем использования в качестве чувствительного элемента отшелушенного в диметилформамиде дисульфида вольфрама (WS₂). Чувствительные свойства материала такого типа сильно зависят от их формы, размера, структуры и морфологии. Необходимый размер частиц достигался с помощью поэтапного отшелушивания WS₂ в ультразвуковой ванне, взятых в первичном соотношении 10 мг / 50 мл диметилформамида. Дисперсия дисульфида вольфрама в диметилформамиде обрабатывалась в сумме в течение 3,5 часа. При этом после 30 минут и 1 часа после начала диспергирования берутся верхние фракции раствора (2/3 части дисперсии), с которыми производится дальнейшее отшелушивание. Данный технологический процесс позволяет значительно увеличить скорость отшелушивания. Отшелушенные таким образом частицы WS₂ наносятся между ВШЭ, предварительно созданными на оксидированной кремниевой подложке или стекле, с помощью диэлектрофореза при следующих параметрах электрического поля: амплитуда - 5 Vpp, частота - 1 МГц, форма сигнала - меандр, время осаждения частиц - 2 минуты. Выбор материала подложек обусловлен требованиями химической и термической стойкости в условиях эксплуатации сенсора, а также доступностью и стоимостью технологий их обработки. ВШЭ используются для того, чтобы увеличить площадь соприкосновения электродов с поверхностью чувствительного слоя, что позволяет уменьшить линейные размеры сенсора при сохранении заданного уровня чувствительности. Конкретные размеры первичного преобразователя определяются особенностями их установки в используемое диагностическое оборудование.

При решении поставленной задачи создается технический результат, который заключается в повышении чувствительности газового детектора, а также уменьшении времени отклика/восстановления при комнатной температуре при сравнительной простоте изготовления.

Предлагаемый сенсор на основе дисульфида вольфрама характеризуется новой совокупностью существенных признаков, обеспечивающих достижение технического результата. За счет более активного протекания окислительно-восстановительных реакций на границе "чувствительный элемент - целевой газ" предлагаемый сенсор обладает более высокой чувствительностью, а также меньшим временем отклика и восстановления при комнатной температуре.

Полезная модель поясняется чертежами, где изображены общий вид сенсора сверху (фиг. 1) и упрощенное сечение тестовой структуры на кремниевой (фиг. 2) / стеклянной (фиг. 3) подложке в области нанесения чувствительного слоя.

На фиг. 1 показаны система электродов 1 и зона осаждения чувствительного слоя 2, расположенных на диэлектрической поверхности подложки 3. Детектор, выполненный на кремниевой подложке (фиг. 2), представляет собой пластину кремния 4, затем расположенный сверху слой диоксида кремния 3, далее планарные электроды 2, выполненные с помощью стандартного литографического процесса и нанесенный между ними чувствительный слой 1 из отшелушенного дисульфида вольфрама. Детектор, выполненный на стеклянной подложке (фиг. 3), состоит из стеклянной подложки 3, нанесенных с помощью литографии планарных гребенчатых электродов 2 и чувствительного слоя 1.

Детектор на основе отшелушенного дисульфида вольфрама работает следующим образом: определяемый токсичный газ в смеси с газом-носителем воздухом вступают во взаимодействие с чувствительным элементом. При этом изменяется проводимость чувствительного элемента. В зависимости от рода детектируемого газа (проявляющего восстановительные или окислительные свойства), дисульфид вольфрама может являться донором электронов (в таком случае сопротивление возрастает) или проявлять акцепторные свойства (сопротивление падает).

Использование предлагаемого газового детектора позволяет увеличить чувствительность к токсичным газам, а также уменьшить время отклика и восстановления при комнатной температуре.

Claims (1)

1. Сверхчувствительный датчик токсичных газов на основе низкоразмерных материалов, содержащий чувствительный элемент, выполненный в виде отшелушенного в диметилформамиде дисульфида вольфрама, нанесенного на оксидированную кремниевую подложку с заранее сформированными на ее поверхности гребенчатыми электродами с помощью диэлектрофореза.

Images