WO2024043806A1 - Чувствительный элемент датчика - Google Patents
Чувствительный элемент датчика Download PDFInfo
- Publication number
- WO2024043806A1 WO2024043806A1 PCT/RU2023/050037 RU2023050037W WO2024043806A1 WO 2024043806 A1 WO2024043806 A1 WO 2024043806A1 RU 2023050037 W RU2023050037 W RU 2023050037W WO 2024043806 A1 WO2024043806 A1 WO 2024043806A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- sensitive element
- substrate
- point
- sensor according
- irregularities
- Prior art date
Links
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 28
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 16
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 6
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 claims abstract description 6
- 238000005275 alloying Methods 0.000 claims description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 3
- -1 platinum group metals Chemical class 0.000 claims description 3
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 2
- 239000012212 insulator Substances 0.000 claims description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 3
- 238000011835 investigation Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 9
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 3
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 231100000572 poisoning Toxicity 0.000 description 2
- 230000000607 poisoning effect Effects 0.000 description 2
- 229910001080 W alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 1
- 238000012876 topography Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y15/00—Nanotechnology for interacting, sensing or actuating, e.g. quantum dots as markers in protein assays or molecular motors
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N1/00—Sampling; Preparing specimens for investigation
Definitions
- the invention relates to measuring technology, namely to universal means of complex multifunctional measurement of technological parameters in gas and other industries, and can also be used in robotics and other high-tech industries.
- the disadvantages of the known sensor are the low durability of the sensitive layer due to its relatively rapid poisoning by the components of the test medium due to the formation of strong bonds with the material of the sensitive layer, as well as distortion of the research results during operation of the sensor.
- the objective of the invention is to create a durable sensitive element, on the surface of which the elements of the test medium are not firmly held, but at the same time sufficiently tight contact of the test medium with the surface of the sensitive element is ensured.
- the technical result of the invention is to increase the service life of the sensor's sensitive element and the stability of the research results.
- the problem is solved and the technical result is achieved by the fact that the sensitive element of the sensor for studying the properties of the medium under study, made in the form of a heated element connected to a current source, where the heated element is made in the form of a substrate made of a material containing at least 90% tungsten, and, according to According to the invention, the substrate material has a specific electrical resistance at a temperature of 20°C equal to or greater than 0.51 Ohm mm 2 /m, the characteristic cross-sectional size of the substrate does not exceed 150x10 3 angstroms, and its surface is made with a given relief, characterized by the maximum permissible height irregularities no more than 150 angstroms and an average irregularity pitch not exceeding the height of the irregularities.
- the sensitive element of the sensor can be fixed directly in the housing, or on a glass insulator, or on legs made of copper or any other material.
- the sensitive element can be connected to a current source using a two-wire or three-wire circuit.
- the sensitive element can be made in the form of a wire or thread of any shape.
- the technical result is also achieved by the fact that a sensitive layer containing alloying components from platinum group metals and having a thickness in the range from 5 to 15 angstroms can be applied to the substrate of the sensitive element of the sensor.
- the sensing element contains a heated element made in the form of a substrate, fixed, for example, in a housing (or secured in another way) and connected to a source of pulsed electric current using two or three conductors or with a different number of conductors.
- the substrate is made of a material containing at least 90% tungsten. In this case, the substrate material has a specific electrical resistance at a temperature of 20°C equal to or greater than 0.51 Ohm mm 2 /m.
- a sensitive layer may be applied to the substrate.
- the characteristic cross-sectional size see GOST ISO 7800-2013. Wire) of the substrate or its diameter (if the cross-section is circular) does not exceed 150x10 3 angstroms.
- the surface of the substrate is made with a given relief, which has irregularities in the form of peaks and valleys.
- the relief is characterized, according to GOST 2789-73, by the maximum permissible height R max of irregularities of no more than 150 angstroms and the average pitch S of irregularities along the vertices, not exceeding the greatest height of the irregularities.
- the thickness of the sensitive layer when applied to a substrate, is in the range from 5 to 15 angstroms, and the sensitive layer contains alloying components from platinum group metals.
- the described sensor is manufactured as follows.
- a substrate is formed from a material containing at least 90% tungsten by passing the material through a spinneret to produce wire with different cross-sectional shapes.
- the dimensions of the characteristic cross-section of the wire do not exceed 150x10 3 angstroms.
- the cross-section of the wire may be circular, oval, polygonal, etc.
- the surface of the substrate is cleaned (degreased from oil and other impurities) and using an etching operation (galvanic, acid, etc.) form irregularities (“roughness”) on its surface in the form of peaks and valleys, thus increasing the active surface area and its adhesive properties necessary for applying a sensitive layer with a thickness of approximately 5-15 angstroms, equidistantly repeating the relief substrate surface. That is, the shape of the substrate relief and the size of the irregularities practically do not change after applying the sensitive layer.
- a material with high strength and selectivity is used for this.
- the material of the sensitive layer does not enter into chemical or sorption interaction, thereby ensuring increased measurement accuracy.
- the shape of the relief and the size of the irregularities due to the shape of the relief and the size of the irregularities, high adhesion to the substance of the medium under study is ensured, since the dimensions of the irregularities are approximately comparable to the sizes of the molecules of liquids and gases and the clusters of molecules they form.
- the use of the described sensitive element of the sensor makes it possible to increase its service life, as well as the stability of the research results due to the formation of an uneven surface topography with dimensions comparable to the sizes of the molecules of the substances under study, which significantly increases their adhesion while eliminating the chemical interaction of materials and substances in contact with each other.
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)
Abstract
Изобретение относится к измерительной технике. Чувствительный элемент датчика для изучения свойств исследуемой среды представляет собой нагреваемый элемент, подключенный к источнику тока. Нагреваемый элемент изготовлен в виде подложки из материала, содержащего не менее 90% вольфрама. Материал подложки имеет удельное электрическое сопротивление при пературе 20°С, равное или превышающее величину 0,51 ом·мм2/м. Размер поперечного сечения подложки не превышает 150×103 ангстрем, а ее поверхность выполнена с рельефом, характеризующимся максимально допустимой высотой неровностей не более 150 Å и средним шагом неровностей, не превышающим высоту неровностей. За счет такого выполнения подложки увеличивается срок службы датчика и повышается его точность.
Description
ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДАТЧИКА
Изобретение относится к измерительной технике, а именно к универсальным средствам комплексного многофункционального измерения технологических параметров в газовой и других отраслях промышленности, а также может быть использовано в робототехнике и других высокотехнологичных отраслях.
Известен чувствительный элемент датчика для изучения свойств исследуемой среды, выполненный в виде нагреваемого элемента, закрепленного в корпусе и подключенного с помощью двух проводников к источнику импульсного электрического тока, где нагреваемый элемент выполнен в виде подложки из сплава вольфрама с процентным содержанием вольфрама не менее 90%, с нанесенным на подложку чувствительным слоем (см. US2015241386A1, опуб., -27.08.2015).
Недостатками известного датчика являются малая долговечность чувствительного слоя из-за относительно быстрого его отравления составляющими исследуемой среды вследствие образования прочных связей ими с материалом чувствительного слоя, а также искажение результатов исследования в процессе эксплуатации датчика.
Задачей изобретения является создание долговечного чувствительного элемента, на поверхности которого не удерживаются прочно элементы исследуемой среды, но при этом обеспечивается достаточно плотный контакт исследуемой среды с поверхностью чувствительного элемента.
Техническим результатом изобретения является повышение ресурса чувствительного элемента датчика и стабильность результатов исследования.
Задача решается и технический результат достигается тем, что чувствительный элемент датчика для изучения свойств исследуемой среды, выполненный в виде нагреваемого элемента, подключенного к источнику тока, где нагреваемый элемент изготовлен в виде подложки из материала, содержащего не менее 90% вольфрама, при этом, согласно изобретению, материал подложки имеет удельное электрическое сопротивление при температуре 20°С, равное или превышающее величину 0,51 Ом мм2/м, характеристический размер поперечного сечения подложки не превышает 150x103 ангстрем, а ее поверхность выполнена с заданным рельефом, характеризующимся максимально допустимой высотой неровностей не более 150 ангстрем и средним шагом неровностей, не превышающим высоту неровностей.
Технический результат достигается также тем, что чувствительный элемент датчика может быть закреплен непосредственно в корпусе, или на стеклянном изоляторе, или на ножках, выполненных из меди или из любого иного материала.
Технический результат достигается также тем, что чувствительный элемент может быть подключен к источнику тока по двухпроводной или трехпроводной схеме.
Технический результат достигается также тем, что чувствительный элемент может быть выполнен в виде проволоки или нити любой формы.
Технический результат достигается также тем, что на подложку чувствительного элемента датчика может нанесен чувствительный слой, содержащий легирующие компоненты из металлов платиновой группы и имеющий толщину в диапазоне от 5 до 15 ангстрем.
Совокупность данных признаков дает повышение ресурса чувствительного элемента датчика и стабильность результатов.
Чувствительный элемент содержит нагреваемый элемент, выполненный в виде подложки, закреплённый, например, в корпусе (или закрепленный иным образом) и подключенный к источнику импульсного электрического тока с помощью двух или трех проводников или с иным количеством проводников. Подложка выполнена из материала, содержащего не менее 90% вольфрама. При этом материал подложки имеет удельное электрическое сопротивление при температуре 20°С, равное или превышающее величину 0,51 Ом мм2/м. На подложку может быть нанесен чувствительный слой. Характеристический размер сечения (см. ГОСТ ISO 7800-2013. Проволока) подложки или ее диаметр (в случае выполнения сечения круглым) не превышает 150x103 ангстрем.
Поверхность подложки выполнена с заданным рельефом, имеющим неровности в виде вершин и впадин. Рельеф характеризуется, согласно ГОСТ 2789-73, максимально допустимой высотой Rmax неровностей не более 150 ангстрем и средним шагом S неровностей по вершинам, не превышающим наибольшую высоту неровностей.
Толщина чувствительного слоя, в случае его нанесения на подложку, находится в диапазоне от 5 до 15 ангстрем, при этом чувствительный слой содержит легирующие компоненты из металлов платиновой группы.
Описываемый датчик изготавливают следующим образом.
Из материала с содержанием вольфрама не менее 90% формируют подложку путем пропуска материала через фильерную установку для получения проволоки с различной формой поперечного сечения. Размеры характеристического сечения проволоки не превышают 150x103 ангстрем. Поперечное сечение проволоки может иметь круглую форму или иметь форму овала, многоугольника и т.п.
Затем поверхность подложки очищают (обезжиривают от масла и других примесей) и с помощью операции травления (гальванической,
кислотой и т.д.) образуют на её поверхности неровности («шероховатость») в виде вершин и впадин, увеличивая таким образом площадь активной поверхности и ее адгезионные свойства, необходимые для нанесения чувствительного слоя толщиной, примерно 5-15 ангстрем, эквидистантно повторяя рельеф поверхности подложки. То есть форма рельефа подложки и размеры неровностей, практически не изменяются после нанесения чувствительного слоя.
В случае нанесения на подложку чувствительного слоя, то используют для этого материал с высокой прочностью, избирательностью. Материал чувствительного слоя не вступает в химическое, сорбционное взаимодействие, обеспечивая за счет этого повышенную точность измерений. При этом за счет формы рельефа и размеров неровностей обеспечивается высокая адгезия по отношению к веществу исследуемой среды, так как размеры неровностей примерно сопоставимы с размерами молекул жидкостей и газов и образуемых ими кластеров молекул. То есть, при среднем размере молекул жидкостей и газов порядка 2 ангстрем, между вершинами неровностей может разместиться ограниченное количество молекул, попавших туда за счет повышенной площади поверхности слоя, что позволяет увеличить соотношение площади чувствительной поверхности к количеству исследуемой среды. При отсутствии чувствительного слоя контакт исследуемой среды осуществляется непосредственно с материалом подложки. При относительно малых размерах подложки или чувствительного элемента такое соотношение позволяет минимизировать затраты энергии на исследования, уменьшить время воздействия на исследуемую среду, обеспечивая периодическое локальное микроимпульсное зондирование среды. Отсутствие химического взаимодействия с веществом исследуемой среды предотвращает «отравление» вещества чувствительного слоя и
обеспечивает практически бесповерочные, длительные сроки эксплуатации датчика. Воздействие электрического тока на минимально возможное количество исследуемого вещества, заключенного во впадинах между неровностями подложки или чувствительного слоя, обеспечивает отсутствие явления гистерезиса.
Таким образом, использование описываемого чувствительного элемента датчика позволяет повысить его ресурс, а также стабильность результатов исследования за счет образования неровного рельефа поверхности с размерами, сопоставимыми с размерами молекул исследуемых веществ, что значительно увеличивает их адгезию при исключении химического взаимодействия контактирующих между собой материалов и веществ.
Claims
1. Чувствительный элемент датчика для изучения свойств исследуемой среды, выполненный в виде нагреваемого элемента, подключенного к источнику тока, где нагреваемый элемент изготовлен в виде подложки из материала, содержащего не менее 90% вольфрама, отличающийся тем, что материал подложки имеет удельное электрическое сопротивление при температуре 20°С, равное или превышающее величину 0,51 Ом мм2/м, характеристический размер поперечного сечения подложки не превышает 150x103 ангстрем, а ее поверхность выполнена с заданным рельефом, характеризующимся максимально допустимой высотой неровностей не более 150 ангстрем и средним шагом неровностей, не превышающим высоту неровностей.
2. Чувствительный элемент датчика по пункту 1, отличающийся тем, что он закреплен непосредственно в корпусе.
3. Чувствительный элемент датчика по пункту 1, отличающийся тем, что он закреплен на стеклянном изоляторе.
4. Чувствительный элемент датчика по пункту 1, отличающийся тем, что он закреплен на медных ножках.
5. Чувствительный элемент датчика по пункту 1, отличающийся тем, что он подключен к источнику тока по двухпроводной схеме
6. Чувствительный элемент датчика по пункту 1, отличающийся тем, что он подключен к источнику тока по трехпроводной схеме.
7. Чувствительный элемент датчика по пункту 1, отличающийся тем, что он выполнен в виде проволоки.
8. Чувствительный элемент датчика по пункту 1, отличающийся тем, что он выполнен в виде нити.
9. Чувствительный элемент датчика по пункту 1, отличающийся тем, что на подложку нанесен чувствительный слой, содержащий
легирующие компоненты из металлов платиновой группы и имеющий толщину в диапазоне от 5 до 15 ангстрем.
7
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2022122617 | 2022-08-22 | ||
| RU2022122617A RU2022122617A (ru) | 2022-08-22 | Чувствительный элемент датчика |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2024043806A1 true WO2024043806A1 (ru) | 2024-02-29 |
Family
ID=90013690
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/RU2023/050037 WO2024043806A1 (ru) | 2022-08-22 | 2023-02-23 | Чувствительный элемент датчика |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| WO (1) | WO2024043806A1 (ru) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20140021745A (ko) * | 2012-08-09 | 2014-02-20 | 한국과학기술원 | 금속산화물 나노로드와 그래핀 복합체, 그의 제조 방법 및 이를 포함하는 센서 |
| US20150241386A1 (en) * | 2014-02-24 | 2015-08-27 | Industry-Academic Cooperation Foundation, Yonsei University | Gas sensor and method of manufacturing the same |
| CN105928935A (zh) * | 2016-04-21 | 2016-09-07 | 林业城 | 一种带有气体传感功能的垃圾处理机 |
| CN107402241A (zh) * | 2016-05-18 | 2017-11-28 | 天津大学 | 基于氧化钨/氧化钛核壳纳米线的气敏元件及其制备方法 |
| CN108490038A (zh) * | 2018-02-23 | 2018-09-04 | 天津大学 | 氧化钨纳米线/多孔硅复合结构气敏传感器的制备方法 |
| CN113739945A (zh) * | 2021-07-22 | 2021-12-03 | 西安交通大学 | 一种基于表面微柱阵列的气膜复合钨铼合金薄膜热电偶 |
-
2023
- 2023-02-23 WO PCT/RU2023/050037 patent/WO2024043806A1/ru unknown
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20140021745A (ko) * | 2012-08-09 | 2014-02-20 | 한국과학기술원 | 금속산화물 나노로드와 그래핀 복합체, 그의 제조 방법 및 이를 포함하는 센서 |
| US20150241386A1 (en) * | 2014-02-24 | 2015-08-27 | Industry-Academic Cooperation Foundation, Yonsei University | Gas sensor and method of manufacturing the same |
| CN105928935A (zh) * | 2016-04-21 | 2016-09-07 | 林业城 | 一种带有气体传感功能的垃圾处理机 |
| CN107402241A (zh) * | 2016-05-18 | 2017-11-28 | 天津大学 | 基于氧化钨/氧化钛核壳纳米线的气敏元件及其制备方法 |
| CN108490038A (zh) * | 2018-02-23 | 2018-09-04 | 天津大学 | 氧化钨纳米线/多孔硅复合结构气敏传感器的制备方法 |
| CN113739945A (zh) * | 2021-07-22 | 2021-12-03 | 西安交通大学 | 一种基于表面微柱阵列的气膜复合钨铼合金薄膜热电偶 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4629665B2 (ja) | 水素ガスを感知するための方法および装置 | |
| CN1078381C (zh) | 含有导电聚合物的电器件 | |
| JP5323325B2 (ja) | 蒸気センサ及びその材料 | |
| Yang et al. | Electroanalytical performance of nitrogen-containing tetrahedral amorphous carbon thin-film electrodes | |
| JP2017508061A (ja) | 表面合金化金属及び表面を合金化するための方法 | |
| JPH0770366B2 (ja) | 電気抵抗体 | |
| JP7033798B2 (ja) | 乾湿応答センサー | |
| WO2024043806A1 (ru) | Чувствительный элемент датчика | |
| EP3536820A1 (en) | Aluminum member and method for producing aluminum member | |
| Matthews et al. | Effects of electrode configuration on polymer carbon-black composite chemical vapor sensor performance | |
| WO2016093145A1 (ja) | 金属めっき被覆ステンレス材の製造方法 | |
| JPH053895B2 (ru) | ||
| JP5681965B2 (ja) | 検出素子およびそれを用いた検出装置 | |
| Vermoyal et al. | In situ characterization of Zircaloy-4 oxidation at 500° C in dry air | |
| WO2017217086A1 (ja) | 水素ガスセンサ | |
| O’Dea et al. | Conductivity and microstructure of combinatorially sputter-deposited Ta–Ti–Al nitride thin films | |
| JP2010230557A (ja) | 被膜付電線の絶縁破壊試験装置及び絶縁破壊試験方法 | |
| CN212540216U (zh) | 高选择性阵列mos传感器 | |
| WO2022029862A1 (ja) | 電極評価方法 | |
| JP6574568B2 (ja) | 金属めっき被覆ステンレス材の製造方法 | |
| CN109211993A (zh) | 基于石墨烯霍尔效应的dna传感器和检测方法 | |
| JP2021097106A (ja) | 静電チャック検査用基板、静電チャック検査システム及び静電チャック検査方法 | |
| CN1795371A (zh) | 感测氢气的方法和装置 | |
| JP3303413B2 (ja) | ｐＨセンサ | |
| US9413092B2 (en) | Electrical power line connector |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 23857818 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |