Способ селективного определения концентрации газообразных меркаптосодержащих и/или аминосодержащих соединений при помощи газового сенсора на основе органического полевого транзистора и устройство для селективного определения концентрации газообразных меркаптосодержащих и/или аминосодержащих соединений

Использование: для определения наличия малых концентраций целевых газов. Сущность изобретения заключается в том, что способ селективного определения концентрации газообразных меркаптосодержащих и/или аминосодержащих соединений при помощи газового сенсора на основе органического полевого транзистора характеризуется тем, что измеряют величину тока в канале органического полевого транзистора в зависимости от времени; рассчитывают величину порогового напряжения открытия органического полевого транзистора и подвижности носителей заряда в зависимости от времени по данным величины тока в канале органического полевого транзистора в зависимости от времени; рассчитывают величину относительного изменения подвижности носителей заряда и величину смещения порогового напряжения открытия органического полевого транзистора; определяют детектируемое меркаптосодержащее и/или аминосодержащее соединение по значению величин относительного изменения подвижности носителей заряда и смещения порогового напряжения открытия органического полевого транзистора; определяют концентрацию детектируемого меркаптосодержащего соединения по величине относительного изменения подвижности носителей заряда и/или аминосодержащего соединения по величины смещения порогового напряжения открытия органического полевого транзистора. Технический результат: обеспечение возможности создания устройства для селективного измерения независимо друг от друга малых концентраций (от 10 ppb до 1 ppm) меркаптосодержащих и/или аминосодержащих соединений в составе атмосферного воздуха или газовых смесей. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к газовым сенсорам на основе органических полевых транзисторов, способных определять наличие малых концентраций целевых газов.

Более конкретно изобретение относится к высокочувствительным газовым сенсорам для селективного определения концентрации токсичных химических газообразных соединений, содержащих меркапто- (HS-) и/или аминогруппу (NH2-) в диапазоне от 10 ppb до 1 ppm в окружающей среде.

Заявляемые газовые сенсоры могут использоваться в качестве ключевого элемента в различных стационарных, переносных и персональных газоанализаторах, применяемых в системах безопасности для мониторинга состояния воздуха. Датчики на основе газовых сенсоров также могут являться частью встраиваемых интеллектуальных систем, построенных по принципу IoT (Internet of Things, «Интернет Вещей») в рамках концепции «умного дома», а также для применения в сетях розничной торговли и пищевых складах для контроля порчи мяса и рыбы на ранних стадиях («Современные методы анализа мяса и мясопродуктов», Г.О. Ежкова, Издательство КНИТУ, Казань, 2013; СанПиН 2.3.2.560-96 «Гигиенические требования к качеству и безопасности продовольственного сырья и пищевых продуктов»).

Уровень техники

Необходимость измерения низких концентраций токсичных соединений, содержащих меркапто- (HS-) - и/или аминогруппу (NH2-), существует для широкого набора промышленных и хозяйственных приложений. Так среднесуточная предельная допустимая концентрация (ПДК) в воздухе населенных пунктов составляет 0,04 мг/м3 (64 ppb) для аммиака и 0,008 мг/м3 (6 ppb) для сероводорода. Обнаружение превышения ПДК в жилых районах, расположенных вблизи промышленных объектов, является актуальной задачей.

В домашнем хозяйстве потребность высокоточного обнаружения токсичных соединений, содержащих меркапто- и/или аминогруппу, возникает, в частности, для определения порчи пищевых продуктов на ранних стадиях, когда измеряемые концентрации выделяющихся токсичных газов настолько малы, что их превышение невозможно обнаружить органолептически.

Применение газовых сенсоров на основе органических полевых транзисторов (ОПТ) в качестве ключевого элемента газоаналитических систем является наиболее оптимальным, поскольку, позволяет совместить высокую чувствительность с низким энергопотреблением, что делает возможным создание портативных микроэлектронных приборов.

Известен газовый сенсор на основе органического полевого транзистора, в структуру которого введен дополнительный второй диэлектрический слой, расположенный поверх электродов «сток», «исток» и органического полупроводника. В процессе работы устройства на поверхность второго диэлектрического слоя могут сорбироваться молекулы детектируемого химического соединения, что изменяет локальную диэлектрическую проницаемость и ведет к изменению электрического тока в устройстве. Селективность данного сенсора достигается за счет добавления на поверхность второго диэлектрика рецепторного слоя, специфичного для детектируемого химического соединения [заявка US 20090267057 A1, дата публикации 29.10.2009].

Недостаток данного сенсора заключается в том, что наличие второго диэлектрического слоя усложняет архитектуру устройства и технологию его изготовления, что в конечном итоге приводит к удорожанию сенсора.

Также известен газовый сенсор на основе полевого транзистора на основе поликристаллического кремния, в котором используется воздушный зазор с электрическим полем не менее 5000 В/см.

Данный газовый сенсор может использоваться для детектирования NH3, NO2, влажности или дыма в газовых и жидких средах. [патент RU 2398222 C2, дата публикации 07.07.2005].

Недостатком данного газового сенсора является его слабая чувствительность (порог детектирования находится выше 1 ppm), а также отсутствие селективности сенсора.

Известен газовый сенсор на основе органического полевого транзистора, изготовленного на твердой или гибкой подложке. Чувствительным элементом в устройстве является подзатворный диэлектрик, электрические свойства которого меняются при контакте с детектируемым химическим соединением в жидкой или газовой фазе [заявка ЕР 2239561 A1, дата публикации 13.10.2010].

Недостатком полученного таким образом газового сенсора является тот факт, что он может быть использован для детектирования лишь относительно высоких концентраций одиночного газа (аммиака) - от 100 ppm.

Известен химический сенсор на основе полевого транзистора, в котором содержится рецепторный слой на основе самоорганизующихся биомолекул, расположенный между полупроводниковым слоем и подложкой [патент US 9575029 B2, дата публикации 21.02.2017].

Основным недостатком такого сенсора является чувствительность рецепторного слоя на основе органического соединения к химическому и термическому воздействию, что усложняет нанесение поверх него других функциональных слоев, в частности, полупроводника, что увеличивает сложность и стоимость технологии изготовления сенсора.

Также известен газовый сенсор, изготовленный при помощи печатных методов, предназначенный для детектирования порчи пищевых продуктов. Чувствительным материалом сенсора является краситель на основе металлопорфиринов, взаимодействующий с нанопористым материалом-носителем. Импеданс материала-носителя меняется при взаимодействии с детектируемым газом, что используется для определения факта порчи пищи [заявка US 20170052160 A1, дата публикации 23.02.2017].

Недостатком заявленного метода является отсутствие селективности печатного сенсора.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство для детектирования малых концентраций оксида азота NO в жидкости или выдыхаемом воздухе, включающее в себя газовый сенсор на основе органического полевого транзистора, состоящего из пары электродов - «сток» и «исток», разделенных полупроводящим каналом, и органического полупроводника, электрода затвора, отделенного от полупроводника слоем диэлектрика, и рецепторного слоя, как минимум частично покрывающего органический полупроводник, процессор, соединенный с газовым сенсором. Важной особенностью устройства является тот факт, что в качестве сигнала сенсора используется не величина тока в канале транзистора, как это делается в большинстве сенсоров на основе ОПТ, а величина смещения порогового напряжения. Поскольку данная величина является более стабильной, чем ток, это позволило в значительной степени решить проблему дрифта базовой линии [патент US 8623281 B2, дата публикации 07.01.2014].

Недостатком данного устройства является низкая селективность сенсора, а также наличие дополнительного рецепторного слоя сложного химического строения, усложняющего изготовление сенсора и, как следствие, его стоимость.

Сущность изобретения

Техническая проблема, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в создании высокочувствительного устройства для селективного определения концентрации газов с применением газового сенсора на основе органического полевого транзистора, который может быть использован для измерения концентрации одного и/или двух газов, а именно аминосодержащих соединений, например, аммиака или иных химических соединений, содержащих аминогруппу, и меркаптосодержащих соединений, например, сероводорода или иных соединений, содержащих меркаптогруппу, в составе атмосферного воздуха или газовых смесей в диапазоне концентраций от 10 ppb до 1 ppm.

Технический результат, достигаемый при реализации заявляемого изобретения, заключается в расширении арсенала технических средств для измерения концентрации газов в воздушной среде, а именно в создании устройства для селективного измерения независимо друг от друга малых концентраций (от 10 ppb до 1 ppm) меркаптосодержащих и/или аминосодержащих соединений в составе атмосферного воздуха или газовых смесей.

Технический результат достигается за счет того, что способ селективного определения концентрации газообразных меркаптосодержащих и/или аминосодержащих соединений при помощи газового сенсора на основе органического полевого транзистора характеризуется тем, что измеряют величину тока в канале органического полевого транзистора в зависимости от времени; рассчитывают величину порогового напряжения открытия органического полевого транзистора и подвижности носителей заряда в зависимости от времени по данным величины тока в канале органического полевого транзистора в зависимости от времени; рассчитывают величину относительного изменения подвижности носителей заряда и величину смещения порогового напряжения открытия органического полевого транзистора; определяют детектируемое меркаптосодержащее и/или аминосодержащее соединение по значению величин относительного изменения подвижности носителей заряда и смещения порогового напряжения открытия органического полевого транзистора; определяют концентрацию детектируемого меркаптосодержащего соединения по величине относительного изменения подвижности носителей заряда и/или аминосодержащего соединения по величины смещения порогового напряжения открытия органического полевого транзистора.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения величину тока в канале органического полевого транзистора в зависимости от времени измеряют при постоянном напряжении на электроде «сток» органического полевого транзистора и пилообразном напряжении на электроде затвора органического полевого транзистора;

Также технический результат достигается за счет того, что устройство для селективного определения концентрации газообразных меркаптосодержащих и/или аминосодержащих соединений включает в себя газовый сенсор на основе органического полевого транзистора, состоящего из двух электродов, разделенных слоем органического полупроводника, электрода затвора и диэлектрического слоя, измерительный блок, подключенный к газовому сенсору на основе органического полевого транзистора, при этом измерительный блок выполнен с возможностью измерения величины тока в канале органического полевого транзистора в зависимости от времени, микропроцессор, подключенный к измерительному блоку и выполненный свозможностью расчета величин порогового напряжения открытия органического полевого транзистора и подвижности носителей заряда в зависимости от времени по данным величины тока в канале органического полевого транзистора в зависимости от времени, расчета величины относительного изменения подвижности носителей заряда и величины смещения порогового напряжения открытия органического полевого транзистора, определения детектируемого меркаптосодержащего и/или аминосодержащего соединение по значению величин относительного изменения подвижности носителей заряда и смещения порогового напряжения открытия органического полевого транзистора и определения концентрации детектируемого меркаптосодержащего соединения по значению величины относительного изменения подвижности носителей заряда и/или аминосодержащего соединения по значению величины смещения порогового напряжения открытия органического полевого транзистора, герметичную камеру с газовым вводом и выводом, в которой размещены вышеупомянутые газовый сенсор, измерительный блок и микропроцессор.

Селективное определение концентрации газообразных соединений достигается за счет того, что различные электрические свойства газового сенсора на основе органического полевого транзистора изменяются при наличии в окружающей среде газов различного химического строения. При этом установлено, что изменение подвижности носителей заряда является индикатором наличия в окружающем воздухе меркаптосодержащих соединений, а изменение порогового напряжения открытия, при сохранении величины подвижности носителей заряда постоянной, является следствием наличия в окружающем воздухе аминосодержащих соединений.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения слой органического полупроводника органического полевого транзистора представляет из себя самоорганизующийся монослой, выполненный из кремнийорганических химически инертных растворимых в органических растворителях производных олиготиофенов, бензотиенобензотиофенов или бисфенилбитиофенов.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения толщина слоя органического полупроводника органического полевого транзистора составляет 2-20 нм.

Сведения, подтверждающие реализацию изобретения

Реализация изобретения подтверждается чертежами, на которых изображены:

на фиг. 1 - показана схема устройства для селективного определения концентрации газообразных меркаптосодержащих и/или аминосодержащих соединений;

на фиг. 2 - показана схема выполнения измерительного блока;

на фиг. 3 - показана форма сигнала напряжения Vg на затворе;

на фиг. 4 - показана вольтамперная характеристика органического полевого транзистора;

на фиг. 5 - показана зависимость изменения подвижности носителей заряда при взаимодействии меркаптосодержащего газообразного соединения с органическим полевым транзистором;

на фиг. 6 - показана зависимость изменения подвижности носителей заряда при взаимодействии аминосодержащего газообразного соединения с органическим полевым транзистором;

на фиг. 7 - показана зависимость величины относительного изменения подвижности носителей заряда от концентрации меркаптосодержащего газообразного соединения;

на фиг. 8 - показана зависимость величины смещения порогового напряжения открытия органического полевого транзистора от концентрации аминосодержащего газообразного соединения;

На фиг. 1 позиции имеют следующие обозначения:

1 - газовый сенсор на основе органического полевого транзистора; 2 - электрод «сток»; 3 - электрод «исток»; 4 - слой органического полупроводника; 5 - электрод «затвор»; 6 - диэлектрический слой; 7 - микропроцессор; 8 - измерительный блок; 9 - герметичная камера.

На фиг. 2 позиции имеют следующие обозначения:

1 - газовый сенсор на основе органического полевого транзистора; 7 - микропроцессор; 8 - измерительный блок; 10 - источник питания; 11 - блокинг-генератор; 12 - блок синхронизации; 13 - датчик тока; 14 - усилитель.

Устройство для селективного определения концентрации газообразных меркаптосодержащих и/или аминосодержащих соединений, представленное на фиг. 1, включает в себя газовый сенсор на основе органического полевого транзистора 1, состоящего из электрода 2 - «сток», электрода 3 - «исток», разделенных слоем 4 органического полупроводника, электрода 5 - «затвор» и диэлектрического слоя 6, микропроцессор 7, измерительный блок 8, подключенный к газовому сенсору на основе органического полевого транзистора 1 и микропроцессору 7, герметичную камеру 9 с газовым входом и выходом, в которой размещены газовый сенсор на основе органического полевого транзистора 1, микропроцессор 7 и измерительный блок 8.

В предпочтительном варианте реализации изобретения измерительный блок 8 (фиг. 2) включает в себя блок питания 10, выход которого подключен ко входу блокинг-генератора 11, блок синхронизации 12, вход которого подключен к выходу блокинг-генератора 11, датчик тока 13, выход которого подключен ко входу усилителя 14. Выход блока питания 10 подключен к электроду 3 - «сток» газового сенсора на основе органического полевого транзистора 1, выход блокинг-генератора 11 подключен к электроду 5 -«затвор» 5 газового сенсора на основе органического полевого транзистора 1, вход датчика тока 13 подключен к электроду 2 - «исток» газового сенсора на основе органического полевого транзистора 1. Выход блока синхронизации 12 подключен к первому входу микропроцессора 7, а выход усилителя 14 подключен ко второму входу микропроцессора 7. Измерительный блок 8 обеспечивает возможность измерения величины тока в канале органического полевого транзистора в зависимости от времени.

Микропроцессор 7 может быть выполнен на стандартной микроэлементной базе и снабжен программным обеспечением, обеспечивающим:

расчет величин порогового напряжения открытия органического полевого транзистора и подвижности носителей заряда в зависимости от времени по данным величины тока в канале органического полевого транзистора в зависимости от времени;

расчет величины относительного изменения подвижности носителей заряда и величины смещения порогового напряжения открытия органического полевого транзистора;

определение детектируемого меркаптосодержащего и/или аминосодержащего соединения по значению величин относительного изменения подвижности носителей заряда и смещения порогового напряжения открытия органического полевого транзистора;

определение концентрации детектируемого меркаптосодержащего соединения по величине относительного изменения подвижности носителей заряда и/или аминосодержащего соединения по величине смещения порогового напряжения открытия органического полевого транзистора.

Микропроцессор 7 соединен со средством вывода информации пользователю (монитор, дисплей и пр.) (на чертежах не показан).

В предпочтительном варианте реализации изобретения слой 4 органического полупроводника представляет из себя самоорганизующийся монослой и может быть выполнен из кремнийорганических химически инертных растворимых в органических растворителях производных олиготиофенов, бензотиенобензотиофенов или бисфенилбитиофенов, таких как, 1,3-бис[11-(5ʺ'-гексил-2,2':5',2ʺ:5ʺ,2'ʺ,-кватротиофен-5-ил)ундецил]-1,1,3,3- тетраметилдисилоксан, 1,3-бис[11-([1]бензотиено[3,2-b][1]бензотиен-2-ил)ундецил]-1,1,3,3-тетраметилдисилоксан, 1,3-бис[11-(7-гексил [1]бензотиено[3,2-b][1]бензотиен-2-ил)ундецил]-1,1,3,3-тетраметилдисилоксан, 1,3-бис[11-(4-{5-[4-(триметилсилил)фенил]-2,2-битиен-5-ил}фенил) ундецил]-1,1,3,3-тетраметилдисилоксан. Выполнение слоя 4 органического полупроводника не ограничивается приведенными выше примерами.

Слой 4 органического полупроводника может быть получен любым из известных методов, в частности, методом Ленгмюра-Блоджетт (Sizov A.S., Agina Е.V., Gholamrezaie F. [et. al.] Oligothiophene-Based Monolayer Field-Effect Transistors Prepared by Langmuir-Blodgett Technique // Applied Physics Letters. - 2013. - V. 103, №4. - P. 043310), методом Ленгмюра-Шеффера (Tanese M.C, Farinola G.M., Pignataro B. [et. al.] Poly(Alkoxyphenylene-Thienylene) Thin Films for Advanced Performance Transistors // Chemistry of Materials. - 2006. - V. 18, №3. - P. 778-784.), методом вращающейся подложки (Hall D.В., Underhill P., Torkelson J.M. Spin Coating of Thin and Ultrathin Polymer Films // Polymer Engineering and Science. - 1998. - V. 38, №12. - P. 2039-2045.), методом дозирующего лезвия (Yan Y., Huang L. В., Zhou Y. [et. al.] Self-Aligned, Full Solution Process Polymer Field-Effect Transistor on Flexible Substrates // Sci Rep. - 2015. - V. 5. - P. 15770), методом налива (Diao Y., Shaw L., Bao Z., Mannsfeld S. С.B. Morphology Control Strategies for Solution-Processed Organic Semiconductor Thin Films // Energy Environ. Sci. - 2014. - V. 7, №7. - P. 2145-2159).

В предпочтительном варианте реализации изобретения толщина слоя 4 органического полупроводника может составлять от 2 до 20 нм, что обеспечивает высокую чувствительность устройства. Поскольку электрический ток в устройстве локализован в тонком приповерхностном слое на границе «слоя 4 органического полупроводника - диэлектрического слоя 6», толщина слоя 4 органического полупроводника в диапазоне от 2 до 20 нм обеспечивает прямое взаимодействие детектируемого газа с полупроводниковым слоем 4. Нижняя граница указанного диапазона 2 нм соответствует минимальной толщине слоя 4 органического полупроводника, при которой органические полевые транзисторы демонстрируют электрические и газочувствительные свойства. Верхняя граница указанного диапазона 20 нм обеспечивает возможность детектирования низких концентраций целевых газов до 10 ppb. При увеличении толщины слоя 4 органического полупроводника чувствительность газового сенсора в ppb-диапазоне уменьшается.

В предпочтительном варианте реализации изобретения диэлектрический слой 6 может быть выполнен из термически выращенного сухого диоксида кремния, модифицированного самособирающимся монослоем (SAM - self-assembled monolayer) октилдиметилхлорсилана (ОДМС) или другого алкилхлорсилана, обеспечивающего достаточно низкую шероховатость (<0,5 нм) поверхности диэлектрического слоя 6.

Работа устройства для селективного определения концентрации газообразных меркаптосодержащих и/или аминосодержащих соединений осуществляется следующим образом.

В герметичную камеру 9 подается сухой воздух с содержанием одного из токсичных химических газообразных соединений, содержащих меркапто- (HS-) или аминогруппу (NH2-), в концентрациях от 10 ppb до 1 ppm. На электрод 3 - «сток» при помощи источника питания 10 измерительного блока 8 (фиг. 2) подается постоянный отрицательный потенциал Vd, на электрод 5 - «затвор» при помощи блокинг-генератора 11 измерительного блока 8 (фиг. 2) подается потенциал пилообразной формы амплитудой νg, периодом Т (фиг. 3). Величины Vd и νg подбираются так, чтобы электрическое поле в диэлектрическом слое 6 составляло не менее 50 кВ/мм, а электрическое поле в слое 4 органического полупроводника не менее 0,5 кВ/м. Для каждого из N последовательных периодов Ti(i=0..N-1) длительностью Т при помощи датчика тока 13 и усилителя 14 измерительного блока 8 измеряют величину тока Id в канале органического полевого транзистора 1 в зависимости от времени t Далее, при помощи микропроцессора 7, синхронизованного по времени с блокинг-генератором 11 при помощи блока синхронизации 12 измерительного блока 8, на основании имеющихся значений величины тока Id и Vg от времени устанавливается зависимость Id от Vg для каждого из N последовательных периодов Ti. Для каждой из N зависимостей при помощи микропроцессора 7 производится ее аппроксимация теоретическим выражением (Horowitz G. Organic Field-Effect Transistors // Advanced Materials. - 1998. - V. 10, №5. - P. 365-377.) методом наименьших квадратов (МНК) по формуле (1):

где Id - ток в канале органического полевого транзистора, А;

μ - подвижность носителей заряда; см2 /(B×c);

VT - пороговое напряжение открытия, при котором начинает расти ток, В (фиг 3);

Vg - напряжение на электроде 2 «затвор», В;

С - емкость единицы площади диэлектрического слоя 5, в нФ см-2);

W и L - ширина и длина слоя 3 органического полупроводника соответственно, м.

Типичная вольтамперная характеристика органического полевого транзистора 1 показана на фиг. 4.

Для каждого из периодов Ti при помощи микропроцессора 7 рассчитываются величины подвижности носителя заряда μi и порогового напряжения VTi по формуле (1).

Далее, при помощи микропроцессора 7 рассчитываются относительное изменение подвижности носителей заряда по формуле (2):

где μотн - относительная подвижность носителей заряда, см2 /(B×c);

μN-1 - подвижность носителей заряда на (N-1)-om периоде напряжения Vg, см2 /(B×c);

μ0 - подвижность носителей заряда на нулевом периоде напряжения Vg, см2 /(B×x)

И смещение порогового напряжения открытия органического полевого транзистора 1 ΔVT по формуле (3):

где ΔVT - смещение порогового напряжения открытия органического полевого транзистора, В;

VT N-1 - пороговое напряжение открытия органического полевого транзистора на (N-1)-ом периоде напряжения Vg, В;

VT 0 - пороговое напряжение открытия органического полевого транзистора на нулевом периоде напряжения Vg, В.

Возможность различать различные классы детектируемых химических соединений при помощи заявляемого устройства обусловлена тем фактом, что при взаимодействии меркаптосодержащего газообразного соединения с газовым сенсором на основе органического полевого транзистора 1 меняется относительная подвижность носителей заряда μотн в слое 4 органического полупроводника (фиг. 5), в то время как при взаимодействии аминосодержащего газообразного соединения с газовым сенсором на основе органического полевого транзистора 1 относительная подвижность носителей заряда μотн в слое 5 органического полупроводника остается постоянной (фиг. 6). При этом концентрация меркаптосодержащего газообразного соединения может быть определена по величине относительного изменения подвижности носителей заряда μотн (фиг. 7), а концентрация аминосодержащего газообразного соединения может быть определена из величины смещения порогового напряжения открытия ΔVT (фиг. 8).

Полученные величины μотн и ΔVT анализируются при помощи микропроцессора 7. При 1>μотн>0,9 и ⎪ΔVT⎪>0,2 ⎪ΔVTмакс, где |ΔVT|макс - максимальное смещение порогового напряжения в соответствии с калибровочной кривой (фиг. 8), детектируемое соединение принадлежит к классу аминосодержащих газообразных соединений. При 0<μотн<0,9 детектируемое соединение принадлежит к классу меркаптосодержащих газообразных соединений.

Далее по значениям величин μотн и ΔVT определяется концентрация детектируемого соединения с использованием калибровочных кривых (фиг. 7 и фиг. 8), предварительно занесенных в память микропроцессора 7, по следующему алгоритму. Если детектируемое соединение принадлежит к классу аминосодержащих газообразных соединений, то на калибровочной кривой смещения порогового напряжения от концентрации (фиг. 8) ищется точка, ордината которой лежит ближе всего к полученному значению ΔVT, и ее абсцисса считается измеренным значением концентрации. Если детектируемое соединение принадлежит к классу меркаптосодержащих газообразных соединений, то на калибровочной кривой относительного изменения подвижности носителей заряда от концентрации (фиг. 8) ищется точка, ордината которой лежит ближе всего к полученному значению μотн , и ее абсцисса считается измеренным значением концентрации.

Установленный класс детектируемого соединения, а также его измеренная в соответствии с алгоритмом концентрация выводится пользователю.

Реализация заявляемого способа возможна ввиду различий механизмов взаимодействия аминосодержащих и меркаптосодержащих соединений с органическим полевым транзистором. Это происходит вследствие различий в величинах дипольных моментов, констант диссоциации и донорно-акцепторных свойств для соединений двух этих классов между собой. В частности, дипольный момент молекулы аммиака выше, чем дипольный момент молекулы сероводорода, константа диссоциации сероводорода выше, чем для аммиака, аммиак является сильным донором электронов, в то время как сероводород является слабым донором электронов. Взаимодействие по донорно-акцепторному механизму, характерное для аминосодержащих соединений, приводит к смещению порогового напряжения, тогда как дополнительное взаимодействие с диссоциировавшими молекулами, характерное для меркаптосодержащих соединений, приводит к изменению контактных сопротивлений в слое органического полупроводника и, как следствие, к изменению подвижности носителей заряда.

1. Способ селективного определения концентрации газообразных меркаптосодержащих и/или аминосодержащих соединений при помощи газового сенсора на основе органического полевого транзистора, характеризующийcя тем, что:

измеряют величину тока в канале органического полевого транзистора в зависимости от времени;

рассчитывают величину порогового напряжения открытия органического полевого транзистора и подвижности носителей заряда в зависимости от времени по данным величины тока в канале органического полевого транзистора в зависимости от времени;

рассчитывают величину относительного изменения подвижности носителей заряда и величину смещения порогового напряжения открытия органического полевого транзистора;

определяют детектируемое меркаптосодержащее и/или аминосодержащее соединение по значению величин относительного изменения подвижности носителей заряда и смещения порогового напряжения открытия органического полевого транзистора;

определяют концентрацию детектируемого меркаптосодержащего соединения по величине относительного изменения подвижности носителей заряда и/или аминосодержащего соединения по величине смещения порогового напряжения открытия органического полевого транзистора.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что величину тока в канале органического полевого транзистора в зависимости от времени измеряют при постоянном напряжении на электроде «сток» органического полевого транзистора и пилообразном напряжении на электроде затвора органического полевого транзистора.

3. Устройство для селективного определения концентрации газообразных меркаптосодержащих и/или аминосодержащих соединений, включающее в себя:

газовый сенсор на основе органического полевого транзистора, состоящего из двух электродов, разделенных слоем органического полупроводника, электрода затвора и диэлектрического слоя;

измерительный блок, подключенный к газовому сенсору на основе органического полевого транзистора, при этом измерительный блок выполнен с возможностью измерения величины тока в канале органического полевого транзистора в зависимости от времени;

микропроцессор, подключенный к измерительному блоку и выполненный с возможностью расчета величин порогового напряжения открытия органического полевого транзистора и подвижности носителей заряда в зависимости от времени по данным величины тока в канале органического полевого транзистора в зависимости от времени, расчета величины относительного изменения подвижности носителей заряда и величины смещения порогового напряжения открытия органического полевого транзистора, определения детектируемого меркаптосодержащего и/или аминосодержащего соединения по значению величин относительного изменения подвижности носителей заряда и смещения порогового напряжения открытия органического полевого транзистора и определения концентрации детектируемого меркаптосодержащего соединения по величине относительного изменения подвижности носителей заряда и/или аминосодержащего соединения по величине смещения порогового напряжения открытия органического полевого транзистора;

герметичную камеру с газовым вводом и выводом, в которой размещены вышеупомянутые газовый сенсор, измерительный блок и микропроцессор.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что полупроводниковый слой органического полевого транзистора представляет из себя самоорганизующийся монослой, выполненный из кремнийорганических химически инертных растворимых в органических растворителях производных олиготиофенов, бензотиенобензотиофенов или бисфенилбитиофенов.

5. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что толщина полупроводникового слоя органического полевого транзистора составляет 2-20 нм.



 

Похожие патенты:

Использование: для контроля концентрации газовых составляющих в атмосфере при различных условиях. Сущность изобретения заключается в том, что графеновый сенсор включает диэлектрическую подложку, выполненную из карбида кремния, которая покрыта слоем графена, слой графена получен сублимацией карбида кремния, контактные площадки контактируют со слоем графена по торцам, для размещения контактных площадок предусмотрены выполненные ионно-лучевым травлением канавки.

Изобретение относится к промышленной безопасности. Система постоянного контроля концентрации паров углеводородов нефти и нефтепродуктов в воздухе рабочей зоны при проведении огневых и газоопасных работ включает в себя передвижной газоанализатор, блок контроля и управления и блок исполнения радиокоманд.

Изобретение относится к технике газового контроля и может быть использовано для настройки и градуировки газоанализаторов хлористого, фтористого и бромистого водорода, а также в качестве источников газообразных галогеноводородов.

Согласно изобретению чувствительный элемент для определения физического свойства газа, в первую очередь для определения концентрации газового компонента, или температуры, или твердого компонента, или жидкого компонента отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, содержит твердоэлектролитную пластинку (21) и расположенные друг против друга в его продольном направлении первый концевой участок и второй концевой участок, при этом чувствительный элемент содержит функциональный элемент, который расположен вне второго концевого участка (202), который на первом концевом участке электрически соединен с контактной площадкой (43, 44), расположенной на втором концевом участке (202) чувствительного элемента (20) на его наружной поверхности.

Согласно изобретению чувствительный элемент для определения физического свойства газа, в первую очередь для определения концентрации газового компонента, или температуры, или твердого компонента, или жидкого компонента отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, содержит твердоэлектролитную пластинку (21) и расположенные друг против друга в его продольном направлении первый концевой участок и второй концевой участок, при этом чувствительный элемент содержит функциональный элемент, который расположен вне второго концевого участка (202), который на первом концевом участке электрически соединен с контактной площадкой (43, 44), расположенной на втором концевом участке (202) чувствительного элемента (20) на его наружной поверхности.

Изобретение относится к области очистки отработанных газов двигателя внутреннего сгорания. Изобретение относится к способу и устройству для эксплуатации датчика (7), предусмотренного в системе выпуска отработавших газов двигателя (1) внутреннего сгорания для определения выбросов, содержащихся в потоке отработавших газов, в частности, оксидов азота, аммиака, кислорода и/или сажи.

Изобретение относится к области сенсорной техники и нанотехнологий, в частности к способам изготовления устройств распознавания и детектирования компонентов газовых смесей.

Использование: для создание системы управления двигателя внутреннего сгорания. Сущность изобретения заключается в том, что система управления для двигателя внутреннего сгорания содержит датчик на основе предельного тока, система управления содержит электронный блок управления, выполненный с возможностью: выполнения процесса сканирования с постепенным снижением приложенного к датчику напряжения от первого (V1) напряжения до второго (V2) напряжения; получения критического значения (Ip) выходного тока датчика во время выполнения процесса сканирования из выходных токов датчика, в то время когда к датчику приложено напряжение, входящее в определенный диапазон, причем критическое значение прогнозируется на основе выходного сигнала; и определение концентрации SOx в выхлопных газах на основе этого критического значения и базового значения, это базовое значение является значением предельного тока датчика, при этом значение предельного тока датчика соответствует концентрации кислорода, имеющей постоянное значение.

В заявке описан датчик (10) для определения по меньшей мере одного свойства анализируемого газа в заполненном им пространстве. Такой датчик (10), имеющий корпус (12) с отверстием (14), через которое из корпуса (12) выведен по меньшей мере один соединительный провод (18), и по меньшей мере один уплотнительный элемент (20), прежде всего проходную втулку, который по меньшей мере частично окружает соединительный провод (18) и имеет по меньшей мере один первый участок (28) и по меньшей мере один второй участок (30), из которых первый участок (28) обладает большей деформируемостью, чем второй участок (30), отличающийся тем, что уплотнительный элемент (20) выполнен из по меньшей мере одного полимерного материала, содержащего по меньшей мере один пластификатор, при этом первый участок (28) и второй участок (30) содержат пластификатор в полимерном материале в разном количестве.

Группа изобретений относится к области измерительной техники и может быть использована для измерения таких параметров режима работы, как температура и/или влажность.

Использование: для определения наличия малых концентраций целевых газов. Сущность изобретения заключается в том, что способ селективного определения концентрации газообразных меркаптосодержащих иили аминосодержащих соединений при помощи газового сенсора на основе органического полевого транзистора характеризуется тем, что измеряют величину тока в канале органического полевого транзистора в зависимости от времени; рассчитывают величину порогового напряжения открытия органического полевого транзистора и подвижности носителей заряда в зависимости от времени по данным величины тока в канале органического полевого транзистора в зависимости от времени; рассчитывают величину относительного изменения подвижности носителей заряда и величину смещения порогового напряжения открытия органического полевого транзистора; определяют детектируемое меркаптосодержащее иили аминосодержащее соединение по значению величин относительного изменения подвижности носителей заряда и смещения порогового напряжения открытия органического полевого транзистора; определяют концентрацию детектируемого меркаптосодержащего соединения по величине относительного изменения подвижности носителей заряда иили аминосодержащего соединения по величины смещения порогового напряжения открытия органического полевого транзистора. Технический результат: обеспечение возможности создания устройства для селективного измерения независимо друг от друга малых концентраций меркаптосодержащих иили аминосодержащих соединений в составе атмосферного воздуха или газовых смесей. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 8 ил.

Наверх