Устройство для измерения концентрации окислительно- восстановительных компонентов в газовой смеси

 

Использование: изобретение относится к устройствам, предназначенным для измерения концентрации газовых компонентов, и может быть использовано в системах управления котельными теплоэлектростанций для контроля состояния окружающей среды. Технический результат изобретения заключается в обеспечении селективности и достоверности определения концентрации каждого из компонентов окислительно-восстановленной газовой смеси, например, О₂-СО, О₂-СО_2, О₂-СН₄, NО_x-CO, NО_x-CH₄ и др. Сущность: устройство содержит кремниевую подложку с нанесенным на ее лицевую поверхность первым слоем диэлектрика из диоксида кремния, сформированными на нем нагревательным резистором из легированного поликристаллического кремния, сформированными над ним вторым из диоксида кремния и третьим из нитрида кремния диэлектрическими слоями. На третьем диэлектрическом слое в пределах площади нагревательного резистора сформированы два газочувствительных тонкопленочных резистора из диоксида олова, на поверхности первого из которых сформирован каталитический слой из диоксида кремния с равномерно распределенным оксидом палладия, а на поверхности второго - каталитический слой из диоксида кремния с равномерно распределенным диоксидом марганца. Содержание оксида палладия в каталитическом слое на поверхности первого из газочувствительных резисторов составляет 1-5 об %, а содержание диоксида марганца в каталитическом слое на поверхности второго газочувствительного резистора составляет 5 - 10 об %. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для измерения концентрации газовых компонентов, конкретно к области каталитической части газочувствительных устройств, и может быть использовано в системах управления котельными теплоэлектростанций, в жилищно-коммунальном хозяйстве, для контроля состояния окружающей среды.

Известно устройство по патенту 0281462, ЕПВ, содержащее подложку из диэлектрика или из 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 нагревательными элементами. К недостаткам данного устройства следует отнести отсутствие селективности при наличии окислительных и восстановительных компонентов в газовой смеси.

Наиболее близким по технической сущности решаемой задачи является устройство по патенту 2013768, РФ, содержащее полупроводниковую пластину, нанесенный на ее лицевую поверхность первый слой диэлектрика, сформированный на нем тонкопленочный нагревательный 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 на всех газочувствительных резисторах сформированы одинаковые каталитические покрытия, а на три из четырех газочувствительных резисторов поверх каталитических покрытий нанесен газонепроницаемый маскирующий слой. Данное устройство по сравнению с предыдущим аналогом имеет преимущество, связанное с тем, что благодаря идентичности основных компонентов мостовой схемы снижаются погрешности измерений, связанные с флюктуациями температуры окружающей среды, в значительной мере одинаково воспринимаемые всеми резисторами мостовой схемы. Однако данное устройство не лишено существенных недостатков, отмеченных у предыдущего аналога, а именно отсутствие селективной чувствительности к отдельным газовым компонентам в окислительно-восстановительных газовых смесях.

Целью изобретения является обеспечение селективности и достоверности определения концентрации каждого из компонентов окислительно-восстановительной газовой смеси.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерения концентрации окислительно-восстановительных компонентов в газовой смеси, например, О₂ - СО, О₂- СО₂, О₂ - CН₄, NO_x - СО, NO_x - CН₄ и др., содержащем кремниевую подложку, нанесенным на ее лицевую поверхность первым слоем диэлектрика из диоксида кремния, сформированным на нем нагревательным резистором из легированного поликристаллического кремния, сформированным над ним вторым из диоксида кремния и третьим из нитрида кремния диэлектрическими слоями, на третьем диэлектрическом слое в пределах топологии нагревательного резистора сформированы два газочувствительных тонкопленочных резистора из диоксида олова, на поверхности первого из которых сформирован каталитический слой из диоксида кремния с равномерно распределенным оксидом палладия, а на поверхности второго каталитический слой из диоксида кремния с равномерно распределенным диоксидом марганца, причем содержание оксида палладия в каталитическом слое на поверхности первого из газочувствительных резисторов составляет 1-5 об. %, а содержание диоксида марганца в каталитическом слое на поверхности второго газочувствительного резистора составляет 5-10 об.%.

Выявленные отличительные признаки в предложенной совокупности не встречались в ранее известных технических решениях, обеспечивают достижение поставленной цели и могут быть квалифицированы как существенные отличия.

Изобретение поясняется чертежами: на фиг. 1 - структурно-топологическая схема предлагаемого устройства: поперечная структура (а), топологический вид (б), схема делителя напряжения (в); на фиг.2 - эквивалентная схема измерительных резистивных мостов; На фиг. 3а, 3б - примеры определения содержания О₂ и СО в газовой смеси О₂- СО.

Предлагаемое устройство для измерения концентрации окислительно-восстановительных компонентов газовой смеси содержит (фиг.1) полупроводниковую подложку 1, нанесенный на ее лицевую поверхность 2 первый слой диэлектрика 3 из SiО₂, сформированный на нем нагревательный резистор 4 из легированного поликристаллического кремния, электрически связанный посредством двух пленочных проводников 5, 6 со схемой управления нагревательным резистором 4, сформированные над нагревательным резистором 4, второй диэлектрический слой 8 из SiО₂ и третий диэлектрический слой 9 из Si₃N₄, на третьем диэлектрическом слое 9 в пределах площади нагревательного резистора 4 сформированы два газочувствительных тонкопленочных резистора 10, 11 из легированного диоксида олова (SnO₂), первый из которых 10 покрыт первым каталитическим слоем 12 из SiO₂ с равномерно распределенным PdO, содержание которого 1-5 об.% а второй 11 вторым каталитическим слоем 13 из SiO₂ с равномерно распределенным MnO₂, содержание которого 5-10 об.%, причем оба газочувствительных резистора 10, 11 скоммутированы при помощи третьего 14, четвертого 15 и пятого 16 пленочных проводников в схему делителя напряжения 17.

В качестве материала полупроводниковой подложки 1 используются пластины из монокристаллического кремния, например, n-типа, с ориентацией (100). Первый слой диэлектрика 3 выполнен из термически выращенного слоя диоксида кремния. В качестве материала нагревательного резистора 4 используется легированный фосфором поликристаллический кремний. Второй слой диэлектрика 8 представляет собой термически выращенный на поверхности поликремниевого резистора диоксид кремния, третий диэлектрический слой 9, нанесенный из паровой фазы нитрид кремния.

В качестве материала газочувствительных резисторов 10, 11 используется легированный сурьмой диоксид олова (SnО₂). Пленочные проводники выполнены из алюминия 19 с подслоем хрома 18. Каталитические покрытия на поверхности газочувствительных резисторов представляют собой тонкопленочные слои из диоксида кремния, содержащие определенное количество равномерно распределенного оксида палладия 12 в одном из резисторов и диоксида марганца 13 в другом.

Устройство работает следующим образом. Два газочувствительных резистора 10, 11 (фиг.2) с различными каталитическими слоями 12, 13 соединяются совместно с двумя вспомогательными стандартными резисторами 20, 21 в первый измерительный резистивный мост, а газочувствительный резистор 11 совместно с тремя вспомогательными резисторами 20, 21, 22 во второй измерительный резистивный мост, при этом два вспомогательных резистора 20, 21 образуют опорный делитель напряжения со средней точкой 23, два газочувствительных резистора 10, 11 образуют первый измерительный делитель напряжения со средней точкой 24, а газочувствительный резистор 11 и вспомогательный резистор 22 образуют второй измерительный делитель напряжения со средней точкой 24.

На нагревательный резистор 4 подается постоянное напряжение амплитудой 1,8-2,7 В или импульсное напряжение с длительностью 3-10 с и амплитудами: максимальное напряжение 1,8-2,7 В и минимальное 0,1-1,0 В. При этом коммутационный электронный ключ 25 поочередно подключает к измерительному прибору 26 первый измерительный резистивный мост, предназначенный для определения концентрации восстановительных компонентов окислительно-восстановительной смеси, например, СО, СО₂, CН₄, NН₃ и др., и второй измерительный мост, предназначенный для определения концентрации окислительного компонента газовой смеси, например, О₂, NO_x и др., при этом первый измерительный мост отключается.

Отличительной особенностью предлагаемого устройства являются следующее: газочувствительный резистор 10 с PdO-катализатором 12 обладает высокой чувствительностью к газам восстановительного типа, например, СО, СО₂, CH₄, NН₃ и др. Одновременно газочувствительный элемент 10 с PdO- катализатором 12 обладает существенной чувствительностью к молекулам окислительного типа: О₂, NO_x и др. Газочувствительный резистор 11 с МnО₂- катализатором 13 не имеет чувствительности к газам восстановительного типа, но обладает чувствительностью к молекулам окислительного типа: О₂, NO_x и др., близкой по относительной величине к чувствительности газочувствительного элемента 7 с PdO-катализатором. Если соединить два таких газочувствительных элемента в первый измерительный делитель напряжения со средней точкой 24, то при воздействии на них окислительно-восстановительных газовых смесей типа О₂- СО, О₂ - СО₂, О₂- СН₄, NН₃ - О₂, No_x - CO, NO_x - CH₄ и т.д. с изменяющимися концентрациями окислительных и восстановительных газов электрический потенциал в средней точке 24 первого измерительного делителя напряжения (напряжение в диагонали первого измерительного резистивного моста 26) будет эквивалентен концентрации восстановительного компонента (СО, СО₂, CH₄ и т.д.) фиг.3а, поскольку отклик на окислительный компонент (О₂, NO_x и т.д.) каждого из резисторов делителя одинаков, в результате чего изменение потенциала на изменяющуюся концентрацию О₂, NO_x и т.д. в средней точке 24 первого измерительного делителя близко к нулю (фиг.3б).

С другой стороны, при контроле указанной выше окислительно-восстановительной смеси посредством второго измерительного моста в средней точке 24 второго измерительного резистивного делителя (диагонали второго измерительного моста 26) будет зафиксирован потенциал, эквивалентный концентрации кислорода (фиг.3б), поскольку газочувствительный резистор с МnО₂- катализатором нечувствителен к таким газовым компонентам.

Таким образом, предложенное устройство обеспечивает достижение поставленной цели, а именно обеспечивает повышение селективности и достоверности определения концентрации каждого из компонентов окислительно-восстановительной газовой смеси.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения концентрации окислительно-восстановительных компонентов в газовой смеси, например, О₂-СО, О₂-СО₂, О₂-СН₄, NО_х-СО, NO_x-СН₄ содержащее кремниевую подложку, нанесенный на ее лицевую поверхность первый слой диэлектрика из диоксида кремния, сформированный на нем нагревательный резистор из легированного поликристаллического кремния, сформированные над ним второй из диоксида кремния и третий из нитрида кремния диэлектрические слои, отличающееся тем, что на третьем диэлектрическом слое в пределах площади нагревательного резистора сформированы два газочувствительных тонкопленочных резистора из диоксида олова, на поверхности первого из которых сформирован каталитический слой из диоксида кремния с равномерно распределенным оксидом палладия, а на поверхности второго - каталитический слой из диоксида кремния с равномерно распределенным диоксидом марганца.

2. Устройство для измерения концентрации окислительно-восстановительных компонентов по п. 1, отличающееся тем, что содержание оксида палладия в каталитическом слое на поверхности первого из газочувствительных резисторов составляет 1-5 об. %, а содержание диоксида марганца в каталитическом слое на поверхности второго газочувствительного резистора составляет 5-10 об. %.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4