Способ детектирования газовых смесей

 

Изобретение относится к способам анализа смесей газов с целью установления их количественного и качественного состава и может быть использовано в газовых сенсорах. Способ реализуется путем генерирования и измерения термоЭДС в электрической цепи с адсорбционным газочувствительным элементом и заключается в том, что температуру "горячего" контакта поддерживают на уровне чувствительности газочувствительного элемента к детектируемому газу и контролируют градиент температуры между "горячим" и "холодным" контактами, при этом существенно, что в качестве адсорбционного газочувствительного элемента используется слой тонкопленочного полупроводникового материала с планарными пленочными контактами. Способ позволяет уменьшить толщину и объем газочувствительного элемента при существенном увеличении градиента температуры, что обеспечивает повышение чувствительности, быстродействие сенсора, а также снижает дрейф показаний и релаксационные явления. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области анализа смесей газов с целью установления их качественного и количественного состава и может быть использовано в газовых сенсорах, работающих на принципе зависимости термоЭДС газочувствительного материала от наличия и концентрации определенного газа.

Известен способ детектирования газовых смесей, основанный на зависимости термоЭДС газочувствительного материала от качественного и количественного состава газовой среды, в котором измеряют ЭДС между "горячим" и "холодным" участками термоэлектрического материала при определенном градиенте температуры [1].

Недостатками известного способа детектирования газовых смесей являются низкая чувствительность к адсорбции, обусловленная большим вкладом объемной составляющей термоЭДС материала, невозможность селективного детектирования различных газов и сложных газовых смесей из-за трудности обеспечения избирательной чувствительности термоэлектрического материала к определяемым газовым компонентам, использование объемных газочувствительных элементов и связанная с этим невозможность миниатюризации датчиков.

Наиболее близким к предлагаемому способу, является способ детектирования концентрации паров этанола путем генерирования и измерения термоЭДС в электрической цепи с адсорбционным газочувствительным элементом, температуру которого поддерживают на уровне чувствительности к детектируемому газу, т.е. между "горячим" и "холодным" контактами, сформированными из благородных металлов, создают и поддерживают градиент температур при средней температуре толстопленочного газочувствительного элемента, соответствующей чувствительности к детектируемому газу [2].

Недостатками известного способа детектирования являются использование толстопленочных газочувствительных элементов, обладающих низкой чувствительностью к адсорбции, обусловленной большим вкладом объемной составляющей термоЭДС, наличие релаксации термоЭДС при установлении стационарного значения и связанное с этим достаточно низкое быстродействие, относительно малый градиент температуры (~ 20^oC), при котором нет достаточного различия в процессах, происходящих в "горячей" и "холодной" зонах газочувствительного элемента. Увеличение градиента температуры при использовании толстопленочных газочувствительных элементов сопряжено с необходимостью увеличения габаритов газочувствительного элемента, в связи с невозможностью реализации больших перепадов температур на малых размерах объемных (толстопленочных) элементов. Недостатком также является невозможность применения групповой интегральной технологии при изготовлении сенсоров.

Задачей данного способа детектирования газовых смесей является повышение чувствительности к адсорбции газа, повышение быстродействия и уменьшение релаксационных явлений путем значительного уменьшения толщины и объема газочувствительного элемента и снижения вклада объемной составляющей термоЭДС (величина которой не зависит от состава окружающей среды, а определяется природой материала) в показания газоанализатора.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в известный способ детектирования газовых смесей путем генерирования и измерения термоЭДС в электрической цепи с адсорбционным газочувствительным элементом, в котором используется толстопленочный газочувствительный элемент, причем температуру газочувствительного элемента поддерживают на уровне чувствительности к детектируемому газу при небольшом (~20^oC) контролируемом градиенте температуры (при котором нет существенных различий в процессах происходящих в "горячей" и "холодной" зонах газочувствительного элемента, которые и определяют величину сигнала сенсора, т.е. его чувствительность) и контролируют градиент температуры между "горячим" и "холодным" контактами, в соответствии с нашим изобретением, вносятся существенные изменения, а именно, в качестве адсорбционного газочувствительного элемента используют слой тонкопленочного полупроводникового материала с пленочными электрическими контактами (что позволяет повысить чувствительность к адсорбции газа, быстродействие и уменьшить релаксационные явления путем значительного уменьшения толщины и объема газочувствительного элемента и снижения вклада объемной составляющей термоЭДС, а также создавать большие градиенты температур), нанесенный на диэлектрическую теплоизолирующую подложку, и температуру только "горячего" контакта поддерживают на уровне чувствительности к детектируемому газу ("холодный" контакт при этом находится при температуре, соответствующей низкой чувствительности материала газочувствительного элемента к детектируемому газу (желательно, минимально возможной для данного материала газочувствительного элемента в реальных условиях)).

Кроме того, согласно предпочтительному варианту реализации способа градиент температуры между "горячим" и "холодным" контактами создают в пределах 50-500^oC в зависимости от материала тонкопленочного полупроводникового адсорбционного слоя и/или от природы детектируемого газа и, при необходимости, поддерживают за счет, например, подогрева "холодного" контакта.

Предложенный способ позволяет существенно уменьшить толщину и объем газочувствительго элемента, повысить используемый градиент температур и обеспечить повышение чувствительности, быстродействия, снизить дрейф показаний и релаксационные явления и уменьшить вклад объемной составляющей термоЭДС в измеряемый сигнал.

Кроме того, предложенный способ конкурентоспособен по отношению к способам детектирования газовых смесей тонкопленочными резистивными сенсорами, в основу работы которых положен иной принцип, а именно - принцип зависимости сопротивления газочувствительного элемента от концентрации и/или природы детектируемого газа в контролируемой среде. В частности, предложенный нами способ обеспечивает большее удобство измерений, обусловленное исключением необходимости измерения сопротивления газочувствительного элемента в широком диапазоне, исключает неконтролируемые процессы переноса вещества (связанные с ионной составляющей проводимости материала полупроводникового чувствительного элемента), поляризацию электрических контактов и инжекцию носителей заряда из контактов, обусловленные протеканием постоянного электрического тока через газочувствительный элемент резистивных сенсоров.

Реализуемость предложенного способа подтверждается примерами и схематическим чертежом сенсора (продольный разрез), где на теплоизолирующей диэлектрической подложке 1 сформирован тонкопленочный полупроводниковый газочувствительный слой 2, к которому присоединены электрические контакты 3 и 4. В зоне контакта 3, называемого "горячим", сформирован нагреватель 5. Контакт 4 условно назван "холодным".

Пример 1.

Для детектирования угарного газа (СО) использовался полупроводниковый газочувствительный слой 2, сформированный из диоксида олова (SnO₂), легированного платиной и палладием в количествах по 0,5 ат.% каждого. Температура "горячего" контакта 3 составляет 225^oC, температура "холодного" контакта 4 составляет 25^oC. ЭДС газочувствительного элемента изменяется от 100 до 700 мВ при изменении концентрации СО в воздухе от 0 до 1 об.%. Толщина слоя SnO₂ составляла при этом 50 нм. Слой SnO₂ получен методом магнетронного распыления металлического олова с указанными легирующими добавками с последующим термическим окислением при температуре 500^oC в течение одного часа. В качестве подложки 1 использовалась слюда (мусковит) толщиной 10 мкм, низкая теплопроводность которой позволяет создавать большие градиенты температур (до 600 градусов) на малых ( ~ несколько мм) расстояниях. В качестве электрических контактов использовалась пленка платины толщиной 250 нм, сформированная методом магнетронного распыления.

Пример 2.

Для детектирования диоксида азота (NO₂) использовался газочувствительный слой нелегированного SnO₂, полученный методом, описанным в примере 1. Температура "горячего" контакта составляла 100^oC, температура "холодного" контакта составляла 25^oC. ЭДС газочувствительного элемента изменялась на 10 мВ при введении в воздушную атмосферу 0,0002 об. % NO₂. При температуре "горячего" контакта 325^oC и температуре "холодного" контакта 25^oC слой нелегированного SnO₂ чувствителен к изменению концентрации кислорода. ЭДС газочувствительного элемента изменялась от 10 до 36 мВ при изменении концентрации кислорода от 21 до 0,0005 об.%.

Таким образом, изложенные сведения свидетельствуют о новизне, изобретательском уровне и промышленной применимости данного способа с указанными выше преимуществами по отношению к известным аналогам, позволяющими улучшить метрологические характеристики приборов, использующих данный способ, а тонкопленочное исполнение сенсоров позволяет применять групповую интегральную технологию производства.

Использованные источники информации 1. Патент США N 5507879, М.кл. H 01 L 35/02, 1996.

2. lonescu R. Combined Seebeck and resistive SnО₂ gas sensor // EUROSENSORS XI. The 11^th European Conference on Solid State Transdusers. Warsaw. Poland. 1997. -P.447-450.

Формула изобретения

1. Способ детектирования газовых смесей путем генерирования и измерения термо-ЭДС в электрической цепи с адсорбционным газочувствительным элементом, заключающийся в том, что температуру газочувствительного элемента поддерживают на уровне чувствительности к детектируемому газу и контролируют градиент температуры между "горячим" и "холодным" контактами, отличающийся тем, что в качестве адсорбционного газочувствительного элемента используют слой тонкопленочного полупроводникового материала с пленочными электрическими контактами, поддерживают температуру только "горячего" контакта на уровне чувствительности к детектируемому газу.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что градиент температуры между "горячим" и "холодным" контактами создают в пределах 50 - 500^oC.

РИСУНКИ

Рисунок 1