RU8805U1 - Тонкопленочный полупроводниковый газовый сенсор - Google Patents

Abstract

1. Тонкопленочный полупроводниковый газовый сенсор, содержащий оформированный на подложке из теплоэлектроизолирующего материала газочувствительный элемент, средство нагрева упомянутого элемента, средства контроля температуры нагрева, электрические контакты, оформированные на противоположных концах газочувствительного элемента и присоединенный к ним с помощью проводников прибор для съема показаний, отличающийся тем, что средство нагрева газочувствительного элемента расположено в зоне одного электрического контакта, а средства контроля температуры расположены в зонах каждого электрического контакта, при этом в качестве прибора для съема показаний с электрических контактов использован вольтметр.2. Сенсор по п.1, отличающийся тем, что зона газочувствительного элемента, расположенная вне зоны размещения нагревателя, выполнена изолированной от окружающей среды газонепроницаемым слоем диэлектрического материала.3. Сенсор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен средством для подогрева всего газочувствительного элемента.

Description

ТОНКОПЛЕНОЧНЫЙ НОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ГАЗОВЫЙ

Полезная модель относится к области аналитического приборостроения, а именно к устройству сенсоров химического состава газовых сред и может иснользоваться в конструкциях газочувствительных датчиков, работающих на принципе зависимости термо-ЭДС полупроводниковой структуры от качественного и количественного состава газовой среды, а именно с использованием зависимости величины коэффициента Зеебека от природы и концентрации частиц, адсорбированных на поверхности сенсорных элементов.

Тонкопленочные полупроводниковые сенсоры, работающие на указанном принципе, нам неизвестны. Поэтому в качестве ближайшего аналога, требующего минимальных структурных изменений для получения данного сенсора, принят известный полупроводниковый тонкогшеночный газовый сенсор, в основу работы которого положен 1шой принцип, а именно - принцип зависимости сопротивления гозочувствительного элемента от концентрации и/или природы детектируемого газа в контролируемой среде. Сенсор-аналог содержит сформированный на подложке из тепло- электроизолирующего материала газочувствительный тонкопленочный полупроводниковый элемент, средство нагрева

упомянутого элемента, средство контроля температуры нагрева, электрические контакты, сформированные на противоположных концах газочувствительного элемента и присоединенные к ним с помощью проводников прибор для съема показаний 1 (прототип).

М.КЛ. 6G01N27/00

СЕНСОР поляризация электрических контактов при протекании постоянного

электрического тока и наличие дрейфа показаний.

Задача данной полезной модели - обеспечить удобство измерений и более высокую их точность, устранение неконтролируемых процессов переноса вещества, обусловленных протеканием постоянного электрического тока , снижение дрейфа показаний и повышение метрологических характеристик тонкопленочного полупроводникового сенсора.

Для решения поставленной задачи в тонкопленочном полупроводниковом сенсоре, содержаш;ем сформированные на подложке из тепло- электроизолирующего материала газочувствительный элемент, средства нагрева упомянутого элемента и контроля температуры нагрева, электрические контакты, сформрфованные на противоположных концах газочувствительного элемента и присоединенный к ним с помощью проводников прибор для съема показаний, в соответствии с данной полезной моделью средство нагрева газочувствительного элемента расположено в зоне одного электрического контакта, а средства контроля температуры нагрева расположены в зонах каждого электрического контакта, при этом в качестве прибора для съема показаний использован вольтметр.

Кроме того, в упомянутом газовом сенсоре поверхность газочувствительного элемента, расположенная вне зоны расположения нагревателя, выполнена изолированной от окружающей среды газонепроницаемым диэлектрическим слоем.

И, наконец, в предпочтительном варианте исполнения газовый сенсор дополнительно снабжен средством подогрева всего газочувствительного элемента для стабилизации температурных условий при необходимости повышения температуры газочувствительного элемента.

-2Реализация предложенной полезной модели позволяет простыми,

доступными и надежными средствами без усложнения отработанной тонкопленочной технологии повысить удобство измерений, снизить дрейф показаний, релаксацию, некотролируемый перенос вещества, что позволяет повысить метрологические характеристики сенсоров.

На фиг.1 изображен общий вид тонкопленочного полупроводникового газового сенсора в продольном разрезе. На фиг. 2 изображен общий вид газового сенсора с дополнительным средством подогрева. На фиг.З - обпщй вид сенсора на фиг.2 в плане.

Тонкопленочный пол)шроводниковый газовый сенсор содержит сформированные на тепло- электроизолирующей подложке 1 газочувствительный элемент 2, сформированный, например, из SnOi посредством магнетронного распыления. Нодложка 1 может быть изготовлена из слюды (мусковит). К газочувствительному элементу 2 с обоих его концов присоединены электрические контакты 3 и 4, сформированные из благородных металлов, например платины. В зоне контакта 3 сформирован нагреватель 5, предназначенный для создания разности температур между горячим контактом 3 и холодным контактом 4, и для поддержания температуры газочувствительного элемента в зоне контакта 3, обеспечивающей оптимальную чувствительность элемента 2 к определяемому газу. Например, для детектирования кислорода посредством газочувствительного элемента SnOi температура горячего контакта 3 составляет 300 °С, температ ра холодного контакта 4 составляет 25 С. ЭДС сенсора изменяется от 10 до 36 мВ при изменении концентрации кислорода от 21 до об.%. Для детектирования СО используется газочувствительный элемент SnO2 легированный Pd и Pt, температура горячего контакта 3 составляет 225 °С, температура холодного контакта 4 составляет 25 °С. ЭДС сенсора изменяется от 100 до 700 мВ при изменении концентрации СО в воздухе от О до 1 об.%.

-3С целью четкого выделения рабочей области газочувствительного

элемента с онтимальной чувствительностью к онределяемому газу и исключения влияния нежелательного взаимодействия остальной области газочувствительного элемента с окружающей средой, зона газочувствительного элемента, расноложенная вне зоны размещения нагревателя 5, может быть изолирована от окружающей среды газоненроницаемым слоем 6 диэлектрического материала, например, SiOi.

Кроме того, в условиях нестабильности температуры окружающей среды, с целью обеспечения абсолютных значений температур горячего и холодного контактов в оптимальном варианте исполнения сенсора, имеется дополнительный подогреватель 7 (см. фиг.2), предназначенный для подогрева всего газочувствительного элемента. Позицией 8 на фт:. 2 обозначен электроизолирующий слой , выполненный , например , из SiOi и предназначенный для электрической изоляции нагревателя 5 от газочувствительного элемента 2, контакта 3 и средства для контроля температуры 9.

Для контроля разности и абсолютных значений температур горячего 3 и холодного 4 контактов в зоне каждого из них расположены средства контроля температуры соответственно 9 и 10 (см. фиг.З), например, терморезисторы.

В качестве прибора для съема показан1ш использован вольтметр, присоединенный к контактам 3 и 4 посредством тфоводников (вольтметр и проводники на чертеже не показаны).

Работает сенсор следующим образом. Через нагреватель 5 пропускают электрический ток такой величины, чтобы осуществить нагрев области газочувствитезаного элемента в зоне контакта 3 до необходимой температуры. При этом контакт 4 имеет температуру, близкую к температуре окружающей среды. При необходимости эксплуатации сенсора в условиях, когда требуемая температура холодного контакта 4 превышает температуру окружающей среды, используют подогреватель 7

-4газочувствительного элемента 2 (см. фиг.2), что позволяет обеспечить

требуемый режим эксплуатации сепсора. В результате разности температур между горячим 3 и холодным 4 контактами генерируется термо-ЭДС, величина которой при постоянной разности температур между упомянутыми контактами зависит от концентрации и/шш природы анализируемого газа.

Полученные полупроводниковые газовые сенсоры являются более удобными для использования в конструющях газоанализаторов, т.к. измеряемым электрическим сигналом является ЭДС, генерируемая сенсором , величина которой определяется составом окрз жающей газовой среды. Данные полупроводниковые газовые сенсоры обладают более высоким быстродействием и значительно меньшим дрейфом показаний по сравнению с резистивными сенсорами, изготовленными с применением тех же чувствительных материалов.

-5

Использованный источник информации

Авт. свид. СССР № 783668, М. кл. G 01 N 27/02,1978.

Проректор по научной работе

Claims (3)

1. Тонкопленочный полупроводниковый газовый сенсор, содержащий оформированный на подложке из теплоэлектроизолирующего материала газочувствительный элемент, средство нагрева упомянутого элемента, средства контроля температуры нагрева, электрические контакты, оформированные на противоположных концах газочувствительного элемента и присоединенный к ним с помощью проводников прибор для съема показаний, отличающийся тем, что средство нагрева газочувствительного элемента расположено в зоне одного электрического контакта, а средства контроля температуры расположены в зонах каждого электрического контакта, при этом в качестве прибора для съема показаний с электрических контактов использован вольтметр.

2. Сенсор по п.1, отличающийся тем, что зона газочувствительного элемента, расположенная вне зоны размещения нагревателя, выполнена изолированной от окружающей среды газонепроницаемым слоем диэлектрического материала.

3. Сенсор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен средством для подогрева всего газочувствительного элемента.