Устройство для измерения концентрации газовых компонентов

 

Использование: изобретение относится к устройствам предназначенным для измерения концентрации газовых компонентов. Устройство позволяет повысить точность измерений и достоверность концентрации газовых компонентов. Сущность изобретения: устройство содержит полупроводниковую мембрану, имеющую по краям ребра жесткости, на лицевую сторону которой нанесен первый слой диэлектрика, поверх него сформирован нагревательный тонкопленочный резистор с пленочными проводниками. На эти элементы нанесен второй слой диэлектрика, на котором сформированы газочувствительный тонкопленочный резистор и подводящие проводники, причем поверх газочувствительного тонкопленочного резистора сформирован пленочный катализатор. Два пленочных подводящих проводника нагревательного тонкопленочного резистора соединены со схемой управления нагревательным тонкопленочным резистором. Два подводящих проводника газочувствительного тонкопленочного резистора соединены с измерительным мостом, имеющим три резистора, два из которых скоммутированы в опорный делитель напряжения, а третий скоммутирован в делитель напряжения совмесно с газочувствительным тонкопленочным резистором, оба делителя имеют общие точки питания, которые подключены к мосту через ограничитель тока. Диагональ моста (средние точки делителей напряжения) подключена к входам усилителя, выход которого подключен к индикатору. Измерительный мост сформирован на втором слое диэлектрика в пленочном исполнении так, что три его резистора представляют собой тонкопленочные резисторы, выполненные одновременно с газочувствительным тонкопленочным резистором из того же материала и тех же размеров. Поверх них нанесен пленочный катализатор из того же материала и тех же геометрических размеров, что и в газочувствительном резисторе, три резистора моста расположены на нагревательном тонкопленочном резисторе на втором слое диэлектрика. Резисторы моста закрыты газонепроницаемой маской, выполненной в виде прямоугольной пленки с окном, повторяющим топологию газочувствительного тонкопленочного резистора, расположенным над последним. 5 ил.

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для измерения концентрации газовых компонентов, конкретно - к области чувствительной части газочувствительных устройств, и может быть использовано в системах автоматики, аварийной сигнализации, в системах управления печами, в бытовой технике, для контроля окружающей среды.

Известно устройство [1] , содержащее диэлектрическую подложку, на которую нанесены электроды в виде встречно-штыревых преобразователей (ВШП), поверх которых нанесен газочувствительный слой. Два выхода электродов ВШП подключены к измерительному мосту, напряжение питания к которому подключено через ограничитель тока, измерительная диагональ моста подключена к входу усилителя, а выход усилителя подключен к индикатору. Недостатками данного устройства являются: ограничение избирательности и одновременно ограничение области применения, связанное с отсутствием в устройстве нагревательного элемента; наличие погрешности измерений при изменении температуры окружающей среды, так как в основе принципа работы газочувствительного слоя - зависимость проводимости от сорбции на поверхности слоя какого-то газового компонента, а чаще всего группы газовых компонентов, абсорбция зависит от температуры; наличие погрешности измерений, связанное с различными температурными режимами газочувствительного слоя и резисторов измерительного моста, что определяется конструкцией устройства, разной температурной зависимостью проводимости газочувствительного слоя и резисторов измерительного моста, так для газочувствительных слоев характерна нелинейная зависимость с максимумом, а для резисторов измерительного моста характерна линейная или близкая к линейной зависимости проводимость как функция от температуры. В целом указанные недостатки снижают точность измерения, связанную с различием в зависимости проводимости от температуры, а также с различными независимыми и в целом не контролируемыми температурными режимами эксплуатации газочувствительного слоя и резисторов измерительного моста.

Известно другое устройство [2] , содержащее подложку из диэлектрика или другого материала с диэлектрическим покрытием, на которой сформирован нагревательный элемент, поверх которого нанесен диэлектрический слой. На диэлектрический слой нанесен газочувствительный тонкопленочный резистор, имеющий два коммутационных электрода, два выхода которых подключены к измерительному мосту, питание к которому подключено через ограничитель тока, измерительная диагональ моста подключена к входу усилителя, выход усилителя подключен к индикатору. Входные электроды нагревательного элемента подключены к схеме управления нагревательным элементом. К недостаткам данного устройства следует отнести: наличие погрешности измерений, связанное: с различными температурными режимами газочувствительного слоя и резисторов измерительного моста, что определяется конструкцией устройства, разной температурной зависимостью проводимости газочувствительного слоя и резисторов измерительного моста, так как для газочувствительного слоя проводимость изменяется с температурой нелинейно и имеет максимум и небольшие всплески, определяемые газовыми компонентами, а для резисторов измерительного моста проводимость близка к линейной.

Наиболее близким по технической сущности, решаемой задаче является устройство, описанное в [3] . Устройство содержит полупроводниковую мембрану, снабженную по краям ребрами жесткости, нанесенный на ее лицевую поверхность первый слой диэлектрика, сформированный на нем нагревательный тонкопленочный резистор, электрически связанный посредством пленочных проводников со схемой управления нагревательным резистором, нанесенный на эти элементы второй слой диэлектрика, сформированный на нем газочувствительный тонкопленочный резистор с нанесенным на его поверхность пленочным катализатором и образующий совместно с тремя резисторами измерительный резистивный мост, два резистора которого образуют опорный делитель напряжения со средней точкой, а третий и газочувствительный резисторы образуют измерительный делитель напряжения со средней точкой, причем оба делителя имеют общие однополярные шины питания.

Данное устpойство по сравнению с предыдущими аналогами имеет потенциальное преимущество, связанное с тем, что используется мембрана, а следовательно, снижается инерционность в обеспечении температурного режима газочувствительного тонкопленочного резистора, несколько снижается погрешность от флюктуаций температуры. Однако данное устройство не лишено существенных недостатков, отмеченных у предыдущих аналогов, а именно конструктивно устройство выполнено таким образом, что существуют различные режимы газочувствительного тонкопленочного резистора и резисторов измерительного моста. А при разной температурной зависимости проводимости газочувствительного тонкопленочного резистора и резисторов измерительного моста появляются непредсказуемые погрешности, что существенно снижает точность измерений и их достоверность.

Целью изобретения является повышение точности и достоверности измерений.

Цель достигается тем, что в устройстве для измерения концентрации газовых компонентов, содержащем полупроводниковую мембрану, снабженную по краям ребрами жесткости, нанесенным на ее лицевую поверхность первым слоем диэлектрика, сформированным на нем нагревательным тонкопленочным резистором, электрически связанным посредством пленочных проводников со схемой управления нагревательным резистором, нанесенным на эти элементы вторым слоем диэлектрика, сформированным на нем газочувствительным тонкопленочным резистором с нанесенным на его поверхность пленочным катализатором и образующим совместно с тремя резисторами измерительный резистивный мост, два резистора которого образуют опорный делитель напряжения со средней точкой, а третий и газочувствительный резисторы образуют измерительный делитель напряжения со средней точкой, причем оба делителя имеют общие однополярные шины питания, измерительный мост сформирован на втором слое диэлектрика над нагревательным резистором, резисторы моста выполнены из того же материала и тех же геометрических размеров, что и газочувствительный резистор, на резисторы нанесены катализаторы из того же материала и имеющие те же геометрические размеры, что и пленочный катализатор на газочувствительном резисторе, электрические связи резисторов и шины питания измерительного моста выполнены проводниками с контактными площадками, средние точки делителей снабжены контактными площадками, а на резисторы нанесен газонепроницаемый маскирующий слой, имеющий окно над газочувствительным резистором. При подъеме локальной температуры до рабочего режима (+15 - +450^оС) в зоне газочувствительного, нагревательного и резисторов измерительного резистивного моста все резисторы оказываются в одном температурном режиме и к тому же температурная зависимость проводимости (сопротивления) газочувствительного резистора и резисторов измерительного резистивного моста одинаковы. Следовательно, при подъеме температуры в зоне ограниченной подложкой до заданной величины, настраиваемой для конкретного газового компонента, у всех четырех резисторов измерительного резистивного моста одинаково по отношению к флюктуациям температуры изменяется сопротивление (проводимость) в той части, которая касается температурной зависимости, однако у незащищенного газочувствительного резистора появляется дополнительное изменение, связанное с взаимодействием его поверхности с газовым компонентом, что приводит к разбалансу в измерительной диагонали моста, а этот разбаланс тождественно отражает концентрацию газового компонента и не отражает зависимости образцовых резисторов и газочувствительного резистора от температуры, что отличает предлагаемое устройство от прототипа, и это обеспечивает выполнение цели.

На фиг. 1 представлена структурно-топологическая схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - то же, разрез; на фиг. 3 - топология измерительного резистивного моста; на фиг. 4 - эквивалентная схема измерительного резистивного моста; на фиг. 5 - топология газонепроницаемой маски. На фиг. 1 приняты следующие обозначения: 1 - полупроводниковая мембрана; 2 - ребра жесткости; 3 - лицевая поверхность; 4 - первый слой диэлектрика; 5 - нагревательный резистор; 6 - пленочные проводники; 7 - схема управления нагревательным резистором; 8 - второй слой диэлектрика; 9 - газочувствительный резистор; 10 - катализатор; 11-13 - резисторы; 14 - измерительный резистивный мост; 15 - опорный делитель напряжения; 17 - измерительный делитель напряжения; 16,18 - средние точки; 19,20 - шины питания; 21 - электрические связи резисторов; 22,23 - контактные площадки; 24 - газонепроницаемый маскирующий слой; 25 - окно.

Предлагаемое устройство для измерения концентрации газовых компонентов содержит (фиг. 1): полупроводниковую мембрану 1, снабженную по краям ребрами 2 жесткости, нанесенный на ее лицевую поверхность 3 первый слой диэлектрика 4, сформированный на нем нагревательный тонкопленочный резистор 5, электрически связанный посредством пленочных проводников 6 со схемой управления нагревательным резистором 7, нанесенный на эти элементы второй слой диэлектрика 8, сформированный на нем газочувствительный тонкопленочный резистор 9 с нанесенным на его поверхность пленочным катализатором 10 и образующий совместно с тремя резисторами 11-13 измерительный резистивный мост 14, два резистора которого образуют опорный делитель 15 напряжения со средней точкой 16, а третий 13 и газочувствительный резисторы 9 образуют измерительный делитель 17 напряжения со средней точкой 18, причем оба делителя имеют общие однополярные шины 19, 20 питания, измерительный мост 14 сформирован на втором слое диэлектрика 8 над нагревательным резистором 5, резисторы 11-13 моста выполнены из того же материала и тех же геометрических размеров, что и газочувствительный резистор 9, на резисторы нанесены катализаторы 10 из того же материала и имеющие те же геометрические размеры, что и пленочный катализатор 10 на газочувствительном резисторе 9, электрические связи резисторов 21 и шины питания 19, 20 измерительного моста 14 выполнены проводниками с контактными площадками 22, средние точки 16, 18 делителей 15, 17 снабжены контактными площадками 23, а на резисторы нанесен газонепроницаемый маскирующий слоя 24, имеющий окно 25 над газочувствительным резистором 9. В качестве материала полупроводниковой подложки используются полупроводниковые пластины ориентации (100). В качестве первого слоя диэлектрика используется термически выращенный слой SiO₂. В качестве материала нагревательного резистора используется поликремний. Второй слой диэлектрика 8 представляет собой окисел SiO₂. В качестве материала газочувствительного резистора 9 и резисторов 11-13 используются металлоокисные полупроводники SnO₂ ZnO, Al₂O₃ и т. д. В качестве катализаторов используются Pt, Pd, Ni, Аg. В качестве газонепроницаемой маскирующей пленки или газонепроницаемого маскирующего слоя 24 используется SiO₂ или Si₃N₄. Проводники на подложке выполняются из Al с подслоем Со или из Au. Схема управления нагревательным резистором представляет собой регулируемый источник тока.

Работает устройство следующим образом. На схему управления нагревательным резистором 7 подается напряжение питания 9 В. Подстроечным резистором увеличивается ток, поступающий на нагревательный резистор 5, который преобразует электрическую энергию в тепловую в зоне полупроводниковой мембраны 1, где расположен измерительный резистивный мост 14. Устанавливается заданный температурный режим, определяемый тем компонентом газа, чью концентрацию предстоит измерять. При доступе пробы исследуемого газа в зону газочувствительного резистора 9 в последнем происходит изменение проводимости (сопротивления) пропорционально концентрации исследуемого газового компонента. При этом все резисторы 9, 11, 12, 13 измерительного резистивного моста 14 находятся в одном температурном режиме. После фиксации показаний необходимо произвести очистку поверхности (приповерхностного слоя) газочувствительного резистора 9, что достигается импульсным увеличением тока через нагревательный резистор 5 таким образом, чтобы температура поднялась до величины 450-500^оС. Так как подложка представляет собой мембрану, то температура, необходимая для последующих измерений, быстро восстанавливается и устройство становится готовым к новому измерению. При высокой концентрации компонентов в воздушной среде на период восстановления свойств газочувствительного резистора 9 необходимо подать свежий воздух или кислород, так как одним из необходимых компонентов, которые должны быть у поверхности газочувствительного тонкопленочного резистора, является кислород, именно через него осуществляется изменение проводимости газочувствительного тонкопленочного резистора. Данное устройство предназначено для измерения концентраций таких компонентов, как СО_х, С_nH_m, Cl, C₂H₅OH и т. п. Предлагаемое устройство обеспечивает синхронность изменений температуры у резисторов 9, 11, 12, 13 измерительного резистивного моста 14, свойства газочувствительного 9 и резисторов 11-13 идентичны по отношению к флюктуациям температуры. Различие газочувствительного 9 и резисторов 11-13 по отношению только к газовой среде. Именно это обстоятельство позволило повысить точность и достоверность измерений, вычленить ту составляющую сопротивления (проводимости) газочувствительного резистора 9, которая определяет концентрацию газового компонента, и отделить температурную зависимость газочувствительного резистора 9.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗОВЫХ КОМПОНЕНТОВ, содержащее полупроводниковую мембрану, снабженную по краям ребрами жесткости, нанесенный на ее лицевую поверхность первый слой диэлектрика, сформированный на нем нагревательный тонкопленочный резистор, электрически связанный посредством пленочных проводников со схемой управления нагревательным резистором, нанесенный на эти элементы второй слой диэлектрика, сформированный на нем газочувствительный тонкопленочный резистор с нанесенным на его поверхность пленочным катализатором, и образующий совместно с тремя резисторами измерительный резистивный мост, два резистора которого образуют опорный делитель напряжения со средней точкой, а третий и газочувствительный резисторы образуют измерительный делитель напряжения со средней точкой, причем оба делителя имеют общие однополярные шины питания, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и достоверности измерений, измерительный мост сформирован на втором слое диэлектрика над нагервательным резистором, резисторы моста выполнены из того же материала и тех же геометрических размеров, что и газочувствительный резистор, на резисторы нанесены катализаторы из того же материала и имеющие те же геометрические размеры, что и пленочный катализатор на газочувствительном резисторе, электрические связи резисторов и шины питания измерительного моста выполнены проводниками с контактными площадками, средние точки делителей снабжены контактными площадками, а на резисторы нанесен газонепроницаемый маскирующий слой, имеющий окно над газочувствительным резистором.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5