RU2607825C2 - Твердотельный электрохимический датчик определения парциальных давлений паров воды в произвольно выбранной газовой смеси - Google Patents
Твердотельный электрохимический датчик определения парциальных давлений паров воды в произвольно выбранной газовой смеси Download PDFInfo
- Publication number
- RU2607825C2 RU2607825C2 RU2014139362A RU2014139362A RU2607825C2 RU 2607825 C2 RU2607825 C2 RU 2607825C2 RU 2014139362 A RU2014139362 A RU 2014139362A RU 2014139362 A RU2014139362 A RU 2014139362A RU 2607825 C2 RU2607825 C2 RU 2607825C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- solid
- electrodes
- range
- electrolyte
- silver
- Prior art date
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/403—Cells and electrode assemblies
- G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
- G01N27/411—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing of liquid metals
- G01N27/4111—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing of liquid metals using sensor elements of laminated structure
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)
Abstract
Изобретение относится к измерительной технике. Твердотельный электрохимический датчик определения парциальных давлений паров воды в произвольно выбранной газовой смеси согласно изобретению представляет собой один из элементов планарной структуры, изготавливаемой на пластине диэлектрика, такого как ситалл или поликор, содержит хлорсеребряные электроды, представляющие собой серебряные электроды произвольной топологической конфигурации, с неоднородным слоем из AgCl, сформированным электрохимическим методом на их поверхности, и контактные площадки для проводников внешней цепи, свободные от AgCl, и пластифицированный твердый электролит на поверхности электродов. Изобретение обеспечивает формирование датчиков, в которых отсутствуют жидкие субстанции в конструктивном исполнении датчиков, что делает их безопасными, точными, с высокой воспроизводимостью и повторяемостью измерений, а также малогабаритными. 2 н. и 5 з.п. ф-лы.
Description
1. Название изобретения
Изобретение «ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРЦИАЛЬНЫХ ДАВЛЕНИЙ ПАРОВ ВОДЫ В ПРОИЗВОЛЬНО ВЫБРАННОЙ ГАЗОВОЙ СМЕСИ» представляет собой устройство, последовательно входящее в замкнутую цепь, состоящую из источника постоянного напряжения с малым входным сопротивлением и прецизионного измерителя тока. Ток в цепи взаимно однозначно соответствует проводимости второго рода твердого пластифицированного электролита в электрохимической ячейке датчика, изменяющейся пропорционально парциальному давлению паров воды в газовой смеси, отличительной особенностью является элементный состав, со своей взаимосвязью элементов, который состоит из двух хлорсеребряных электродов и контактных площадок для проводников внешней цепи, сформированных методами планарной технологии на поверхности диэлектрика, например, такого как поликор или сеталл, причем область двух электродов в датчике покрыта сплошным однородным и непрерывным слоем пластифицированного твердого электролита, и способ, получение градуированных кривых вида PH2O(Па, парциальное давление)=I(А, ток во внешней цепи), подразумевает достижение обратимой электродной реакции: , в электрохимической ячейке на паре хлорсеребряных электродов, в твердом пластифицированном электролите в зависимости от содержания паров воды в анализируемой газовой среде, общего давления и температуры.
2. Область техники
Датчик прецизионного определения парциального давления паров воды может быть использован для определения концентрации паров воды в дыхательном контуре анестезиологического комплекса, сторонних компонентов газовой смеси (например, паров дыма, токсичных компонентов и т.д.), в проточной системе имеет значение как точное определение концентрации любого стороннего компонента газовой смеси, т.е. может быть использован в химическом анализаторе газовых сред.
Отсутствие жидких субстанций в конструктивном исполнении датчика делает его безопасным и более пригодным для использования в особых условиях, например подводные и космические аппараты, подземные сооружения, анестезиологические комплексы.
3. Уровень техники
Изобретение, твердотельный электрохимический датчик определения парциальных давлений паров воды в произвольно выбранной газовой смеси, имеет аналог SU 940044, опубл. 01.07.1982. Устройство содержит сетчатые платиновые электроды, полипропиленовый сепаратор, пропитанный гигроскопичным раствором Р2О5, и полупроницаемую мембрану между электродами и воздушной средой, газодиффузионные мембраны имеют пористую структуру со средним радиусом пор 10-103 Å, а ток во внешней цепи пропорционален парциальному давлению паров воды. В связи с особенностями строения полупроницаемых мембран, в рассматриваемом аналоге, по-видимому, каждый датчик обладает собственными индивидуальными характеристиками, что не характерно для предлагаемого изобретения, так как в этом случае процесс производства подразумевает единовременное воспроизводимое получение множества датчиков методом планарной технологии в одном процессе, последнее существенно отличается от процессов индивидуальной сборки.
Кроме того, в отличии от прототипа, в рассматриваемом изобретении электрохимический процесс обусловлен обратимой электродной реакцией , в которой отвод продуктов реакции не требуется.
Отличительной особенностью прототипа является также содержание в элементном составе жидкой субстанции, характеризующейся высокой токсичностью, что делает неприемлемым использование датчика в целом ряде применений, связанных с жизнедеятельностью человека, таких как аппараты ИВЛ, анестезиологическое пособие, летательные и подводные аппараты и т.д.
Предлагаемое в рассматриваемой заявке устройство, наряду с характеристиками высокой точности определения парциальных давлений паров воды, ток во внешней цепи датчика может изменяться на 2-3 порядка для различных диапазонов парциальных давлений, может быть произведено миниатюрным, так как в процессе производства используется планарная технология.
4. Раскрытие изобретения
Устройство представляет собой один из элементов планарной структуры, изготавливаемый на пластине диэлектрика, такого как ситалл или поликор, на который методом вакуумного напыления наносится слой серебра толщиной от 2 мкм до 10 мкм, в этом слое методом фотолитографии формируются электроды отдельных элементов и контактные площадки для проводников внешней цепи, на одной пластине может располагаться до 1000 элементов, произвольной топологической конфигурации, но расстояние по нормали между любыми ближайшими краями электродов находится в интервале от 50 мкм до 10 мм и является постоянной величиной. После придания сформированным электродам свойств хлорсеребряных электродов, структура покрывается однородным, сплошным и непрерывным слоем жидкого электролита, методом центрифугирования или окунания, и последующей температурной обработкой на поверхности электродной структуры формируется слой твердого пластифицированного электролита толщиной от 1 мкм до 100 мкм. Способ представляет собой получение градуированных кривых вида PH2O(Па, парциальное давление)=I(А, ток во внешней цепи), при токе во внешней цепи, создаваемым источником постоянного напряжения, при разности потенциалов между электродами, находящейся в интервале от 0,2 В до 1,5 В, с целью достижения обратимой электродной реакции: , в электрохимической ячейке на паре хлорсеребряных электродов, в твердом пластифицированном электролите в зависимости от содержания паров воды в анализируемой газовой среде, общего давления и температуры, с целью достижения взаимно однозначного соответствия между проводимостью второго рода в твердом пластифицированном электролите, сформированном на планарной электродной структуре, и парциальным давлением паров воды в газовой среде, контактирующей с твердым электролитом. Твердый пластифицированный электролит изготавливается на основе водорастворимого полимера, например поливинилового спирта, причем отличительной особенностью электролита является то, что он содержит LiCl и KCl, в зависимости от эксплуатационных характеристик датчика, содержание LiCl находится в интервале от 5 вес. % до 15 вес. % водного раствора полимера, содержание KCl находится в интервале от 0 вес. % до 7 вес. % водного раствора полимера, в зависимости от выбранного полимера и его молекулярного веса, абсолютная вязкость водного раствора полимера, при T=20°C, должна находится в интервале от 20 Па⋅с до 70 Па⋅с, температура обработки слоя водного раствора полимера, нанесенного на поверхность электродов, находится в интервале 50°C-90°C, отличительной особенностью электродов является то, что заданные свойства хлорсеребряных электродов достигаются электрохимической обработкой пленарных серебряных элементов, кроме контактных площадок, защищенных фоторезистом методом фотолитографии и сформированных как элементы планарной структуры на ситалловой или поликоровой пластине, в 3%-ном водном растворе HCl с добавлением от 1% вес. до 4 вес. % KCl, для формирования прерывистого локально неоднородного слоя AgCl на слое Ag, полученные хлорсеребряные электроды обладают электронной проводимостью, с поверхностным сопротивлением, лежащим в интервале от 1 Ом/□ до 100 Ом/□.
5. Осуществление изобретения
Очищенную пластину ситалла или поликора помещают в установку вакуумного напыления и наносят слой серебра толщиной от 2 мкм до 10 мкм, затем методом фотолитографии формируют серебряные электроды заданной топологической конфигурации, причем расстояние по нормали между любыми ближайшими краями электродов находится в интервале от 50 мкм до 10 мм и является постоянной величиной; затем методом фотолитографии закрывают контактные площадки фоторезистом; затем проводят электрохимическую обработку непокрытых фоторезистом областей серебряных электродов в 3-ном водном растворе HCL с добавлением от 1 вес. % до 4 вес. % водного раствора KCL, для формирования неоднородного слоя AgCl, для достижения поверхностного сопротивления электрическому току, находящемуся в интервале от 1 Ом/□ до 100 Ом/□, затем удаляется фоторезист; затем готовится водный солевой раствор поливинилового спирта, для этого готовится водный раствор 10 вес. % LiCL и 5 вес. % KCL, в который добавляется порошок поливинилового спирта при Т=90°C до достижения значения абсолютной вязкости раствора, находящегося в интервале от 20Па⋅с до 70 Па⋅с, при Т=20°C; затем солевой раствор полимера наносится на поликоровую пластину, со сформированными электродами, методом центрифугирования, затем обрабатывают полученную планарную структуру при температуре, находящейся в интервале от 80°C до 100°C, в течение периода, находящегося в интервале от 30 мин до 90 мин, причем толщина пластифицированного твердого электролита должна находиться в интервале от 1 мкм до 100 мкм; затем методом фотолитографии формируют заданную топологию, удаляя лишний полимер, затем методом скрайбирования разделяют элементы, и контактной сваркой приваривают выводы к контактным площадкам; затем для элемента из партии достигается построение градуированной кривой вида PH2O(Па, парциальное давление)=I(А, ток во внешней цепи), причем ток во внешней цепи создается источником постоянного напряжения, а разность потенциалов между электродами задается в интервале от 0,2 В до 1,5 В, с целью достижения обратимой электродной реакции , в электрохимической ячейке на паре хлорсеребряных электродов, в твердом пластифицированном электролите в зависимости от содержания паров воды в анализируемой газовой среде, общего давления и температуры.
Важно отметить, что устройство может входить в снаряжение рабочего и служащего химического предприятия, может применяться в составе оборудования, используемого в рамках гражданской обороны, т.е. может быть использовано в химическом анализаторе газовых сред, в том числе для предотвращения поражения и заражения отравляющими веществами, устройство может применяться в составе анестезиологического пособия для точного определения парциального давления паров воды в анестезиологическом контуре.
Claims (7)
1. Твердотельный электрохимический датчик определения парциальных давлений паров воды в произвольно выбранной газовой смеси, представляющий собой один из элементов планарной структуры, изготавливаемой на пластине диэлектрика, такого как ситалл или поликор, содержащий хлорсеребряные электроды, представляющие собой серебряные электроды произвольной топологической конфигурации, с неоднородным слоем из AgCl, сформированным электрохимическим методом на их поверхности, и контактные площадки для проводников внешней цепи, свободные от AgCl, содержащий пластифицированный твердый электролит на поверхности электродов.
2. Твердотельный электрохимический датчик по п. 1, отличающийся тем, что содержит электроды из серебра толщиной от 2 мкм до 10 мкм.
3. Твердотельный электрохимический датчик по п. 1, отличающийся тем, что расстояние по нормали между любыми ближайшими краями электродов находится в интервале от 50 мкм до 10 мм и является постоянной величиной.
4. Твердотельный электрохимический датчик по п. 1, отличающийся тем, что содержит на поверхности электродной структуры слой твердого пластифицированного электролита толщиной от 1 мкм до 100 мкм.
5. Способ определения парциальных давлений паров воды в произвольно выбранной газовой смеси, заключающийся в том, что достигается построение градуированных кривых вида PH2O(Па, парциальное давление)=I(А, ток во внешней цепи), при токе во внешней цепи, создаваемом источником постоянного напряжения при разности потенциалов на электродных контактных площадках, сформированных как элементы планарной структуры методом фотолитографии, задаваемой в интервале от 0,2 В до 1,5 В, с целью достижения обратимой электродной реакции: , в электрохимической ячейке на паре хлорсеребряных электродов, представляющих собой серебряные электроды, покрытые неоднородным слоем AgCl, в твердом пластифицированном электролите в зависимости от содержания паров воды в анализируемой газовой среде, общего давления и температуры, с целью достижения взаимно однозначного соответствия между проводимостью второго рода в твердом пластифицированном электролите, сформированном на планарной электродной структуре, и парциальным давлением паров воды в газовой среде, контактирующей с твердым электролитом.
6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что твердый пластифицированный электролит изготавливается на основе водорастворимого полимера, например поливинилового спирта, причем отличительной особенностью электролита является то, что он содержит LiCl и KCl, содержание LiCl находится в интервале от 5 вес. % до 15 вес. % водного раствора полимера, содержание KCl находится в интервале от 0 вес. % до 7 вес. % водного раствора полимера, абсолютная вязкость водного раствора полимера, при T=20°C, должна находиться в интервале от 20 Па⋅с до 70 Па⋅с, температура обработки слоя водного раствора полимера, нанесенного на поверхность электродов, находится в интервале 50°C-90°C.
7. Способ по п. 5, отличающийся тем, что заданные свойства хлорсеребряных электродов достигаются электрохимической обработкой поверхности серебряных электродов, кроме контактных площадок, защищенных фоторезистом и сформированных как элементы планарной структуры на ситалловой или поликоровой пластине, в 3%-ном водном растворе HCl с добавлением от 1 вес. % до 4 вес. % водного раствора KCl, для формирования неоднородного слоя AgCl на серебряном электроде, для достижения значений поверхностного сопротивления электрическому току, находящихся в интервале от 1 Ом/□ до 100 Ом/□.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014139362A RU2607825C2 (ru) | 2014-09-29 | 2014-09-29 | Твердотельный электрохимический датчик определения парциальных давлений паров воды в произвольно выбранной газовой смеси |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014139362A RU2607825C2 (ru) | 2014-09-29 | 2014-09-29 | Твердотельный электрохимический датчик определения парциальных давлений паров воды в произвольно выбранной газовой смеси |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2014139362A RU2014139362A (ru) | 2016-04-20 |
RU2607825C2 true RU2607825C2 (ru) | 2017-01-20 |
Family
ID=55789230
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2014139362A RU2607825C2 (ru) | 2014-09-29 | 2014-09-29 | Твердотельный электрохимический датчик определения парциальных давлений паров воды в произвольно выбранной газовой смеси |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2607825C2 (ru) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU940044A1 (ru) * | 1977-11-29 | 1982-06-30 | Плехит При Бан (Инопредприятие) | Электрохимический способ и устройство дл определени парциального давлени вод ных паров в газах |
DE3407407A1 (de) * | 1984-02-29 | 1985-08-29 | Schott-Geräte GmbH, 6238 Hofheim | Sensor zur messung von wasserdampfpartialdruecken und damit zusammenhaengenden groessen |
US5195358A (en) * | 1990-10-26 | 1993-03-23 | Wilhelm Lambrecht Gmbh | Apparatus for measuring water-vapor partial pressure |
WO2008009329A1 (de) * | 2006-07-18 | 2008-01-24 | Testo Ag | Verfahren und vorrichtung zur feuchte- und taupunktmessung in wasserstoffperoxid-beladener umgebung |
RU2463572C1 (ru) * | 2011-04-01 | 2012-10-10 | Сергей Геннадьевич Юзов | Вакуумный манометрический прибор для определения парциального давления водяного пара и активности воды в пищевых продуктах с охлаждающими ультратермостатами на основе термоэлектрических холодильников |
-
2014
- 2014-09-29 RU RU2014139362A patent/RU2607825C2/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU940044A1 (ru) * | 1977-11-29 | 1982-06-30 | Плехит При Бан (Инопредприятие) | Электрохимический способ и устройство дл определени парциального давлени вод ных паров в газах |
DE3407407A1 (de) * | 1984-02-29 | 1985-08-29 | Schott-Geräte GmbH, 6238 Hofheim | Sensor zur messung von wasserdampfpartialdruecken und damit zusammenhaengenden groessen |
US5195358A (en) * | 1990-10-26 | 1993-03-23 | Wilhelm Lambrecht Gmbh | Apparatus for measuring water-vapor partial pressure |
WO2008009329A1 (de) * | 2006-07-18 | 2008-01-24 | Testo Ag | Verfahren und vorrichtung zur feuchte- und taupunktmessung in wasserstoffperoxid-beladener umgebung |
RU2463572C1 (ru) * | 2011-04-01 | 2012-10-10 | Сергей Геннадьевич Юзов | Вакуумный манометрический прибор для определения парциального давления водяного пара и активности воды в пищевых продуктах с охлаждающими ультратермостатами на основе термоэлектрических холодильников |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2014139362A (ru) | 2016-04-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR100316315B1 (ko) | 개스농도의측정방법 | |
Shan et al. | Surface modification of graphene nanopores for protein translocation | |
Mondal et al. | Packaging of single-component fractional order element | |
JP2017521679A5 (ru) | ||
Paczosa-Bator et al. | Platinum nanoparticles intermediate layer in solid-state selective electrodes | |
Jaworska et al. | Spray-coated all-solid-state potentiometric sensors | |
Snyder et al. | Effect of speciation on the apparent diffusion coefficient in nonreactive porous systems | |
JP2013127455A5 (ru) | ||
RU2607825C2 (ru) | Твердотельный электрохимический датчик определения парциальных давлений паров воды в произвольно выбранной газовой смеси | |
Alva et al. | Ag/AgCl reference electrode based on thin film of arabic gum membrane | |
Chiang et al. | A microfluidic chip for ammonium sensing incorporating ion-selective membranes formed by surface tension forces | |
Okubo et al. | Facile Fabrication of All-solid-state Ion-selective Electrodes by Laminating and Drop-casting for Multi-sensing | |
Xiong et al. | Fabrication of disposable gold macrodisc and platinum microband electrodes for use in room-temperature ionic liquids | |
Cho et al. | Underwater micro gas detector | |
Islam et al. | Measurement of gas moisture in the ppm range using porous silicon and porous alumina sensors | |
EP3341722A1 (en) | Electrochemical sensor | |
CN103543188A (zh) | 一种高灵敏度测定邻苯二胺的电化学传感器及其测定方法 | |
US3522732A (en) | Sensing element for hygrometers | |
RU2583164C1 (ru) | Способ измерения влажности воздуха | |
Sedlak et al. | Noise in amperometric NO2 sensor | |
Manjakkal et al. | Electrochemical interdigitated conductimetric ph sensor based on RuO 2 thick film sensitive layer | |
RU2540450C1 (ru) | Способ измерения кислородосодержания и влажности газа | |
US20160129403A1 (en) | Novel nanostructured membrane separators and uses thereof | |
Torres-González et al. | Facile fabrication of tailorable Ag/AgCl reference electrodes for planar devices | |
Wardak et al. | Ion-selective electrodes with solid contact for heavy metals determination |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
TK4A | Correction to the publication in the bulletin (patent) |
Free format text: AMENDMENT TO CHAPTER -FG4A- IN JOURNAL: 02-2017 FOR TAG: (45) |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190930 |