Адсорбционно-резистивный газовый сенсор

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Мухуров Николай Иванович Денисюк Сергей Валентинович Куданович Олег Николаевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) Адсорбционно-резистивный газовый сенсор, содержащий диэлектрическую подложку с отделенной от нее сквозной перфорацией рабочей областью, в которой на одной из сторон диэлектрической подложки сформирована тонкопленочная встречно-штыревая система информационных электродов, связанная с контактными площадками системы информационных электродов токопроводящими дорожками, с нанесенной поверх пленкой газочувствительного материала, на обратной стороне диэлектрической подложки в рабочей области сформирован тонкопленочный нагреватель, связанный с контактными площадками нагревательного элемента токопроводящими дорожками, отличающийся тем, что в качестве газочувствительного материала использована смесь оксидов железа с соотношением 406023 при рабочей температуре 550 С.(56) 1..,.,., -23-23-2//. - 2008. - . 60. - . 4. . 1041-1052. 2. Куданович О.Н. и др. Сенсор паров этилового спирта на основе оксида никеля // Сенсорная электроника и микросистемные технологии. СЭМСТ-1 материалы Международной научно-тех. конф. - Одесса, Украина, 1-5 июня 2004 г. / Под ред. В.А.Смынтыны. Одесса Астропринт. - С. 199. 3. Мухуров Н.И., Ефремов Г.И., Куданович О.Н. Устройства микромеханики и микросенсорики на нанопористом анодном оксиде алюминия монография. - Минск Бестпринт,2005. - С. 111. Полезная модель относится к электронике, микроэлектронике, сенсорике и может найти широкое применение в системах мониторинга состава окружающей среды. Известен адсорбционно-резистивный газовый сенсор на основе -23, выполненный по толстопленочной технологии 1. Сенсор выполнен на диэлектрической полированной стеклянной подложке, на одной стороне которой нанесен ленточный нагреватель с контактными площадками для подключений к источнику питания, а на другой стороне методами толстопленочной технологии нанесена пленка -23 в качестве чувствительного материала. Концы пленок соединены с соответствующими контактными площадками с помощью серебряных электродов. Принцип работы сенсора основан на регистрации изменений сопротивления чувствительного материала под действием анализируемой смеси. Пленки -23 проявляют низкую селективность по отношению к детектируемым газам(ацетон, аммиак, этанол, углеводороды), слабо зависящую от рабочей температуры. Сенсор на основе -23 имеет ограниченные функциональные возможности. Известен адсорбционно-резистивный газовый сенсор на основе оксидов переходных металлов 2. Он представляет собой плоскую диэлектрическую подложку -23 со сквозной перфорацией, образующей изолированную рабочую область консольного типа. На одной стороне подложки в рабочей области сформированы система информационных электродов встречно-штыревой конструкции и чувствительный элемент в виде пленки оксида переходного металла. На обратной стороне рабочей области подложки сформирован нагреватель в виде меандра. Тонкопленочные элементы информационных электродов и нагревателя соединены токопроводящими дорожками с соответствующими контактными площадками на периферии подложки. При адсорбции молекул чувствительный элемент изменяет свои характеристики в зависимости от концентрации адсорбируемого газа, прежде всего значение электрического сопротивления. Это изменение фиксируется внешней схемой с помощью системы информационных электродов. Нагревательный элемент устанавливает рабочую температуру сенсора, позволяя управлять временем отклика и восстановления,а также чувствительностью к детектируемому газу. Низкая селективность затрудняет обнаружение детектируемого газа в анализируемой смеси произвольного состава. Технической задачей полезной модели является расширение функциональных возможностей тонкопленочных адсорбционно-резистивных газовых сенсоров за счет использования новых чувствительных материалов на основе сложных оксидов железа. Решение поставленной задачи достигается тем, что адсорбционно-резистивный газовый сенсор, содержащий диэлектрическую подложку с отделенной от нее сквозной перфорацией рабочей областью, в которой на одной из сторон диэлектрической подложки сформирована тонкопленочная встречно-штыревая система информационных электродов,связанная с контактными площадками системы информационных электродов токопроводящими дорожками, с нанесенной поверх пленкой газочувствительного материала, на обратной стороне диэлектрической подложки в рабочей области сформирован тонкопленочный 2 101872014.06.30 нагреватель, связанный с контактными площадками нагревательного элемента токопроводящими дорожками, отличается тем, что в качестве газочувствительного материала использована смесь оксидов железа с соотношением 406023 при рабочей температуре 550 С. Сущность полезной модели поясняется фиг. 1, 2. На фиг. 1 представлен вид на газовый сенсор со стороны газочувствительного слоя 1 - диэлектрическая подложка 2 - рабочая область 3 - сквозная перфорация 4 - встречно-штыревая система информационных электродов 5 - пленка газочувствительного материала 6 - контактная площадка системы информационных электродов 7 - контактная площадка нагревательного элемента 8 - токопроводящие дорожки. На фиг. 2 представлен вид на газовый сенсор со стороны нагревателя 9 - нагреватель. Адсорбционно-резистивный газовый сенсор содержит диэлектрическую подложку 1, в которой с помощью сквозной перфорации 3 сформирована в виде консоли рабочая область 2. В рабочей области 2 на одной из сторон диэлектрической подложки 1 сформирована тонкопленочная встречно-штыревая система информационных электродов 4 и поверх нанесена пленка газочувствительного материала 5. На обратной стороне диэлектрической подложки 1 в рабочей области 2 сформирован тонкопленочный нагреватель 9. На диэлектрической подложке 1 также сформированы контактные площадки системы информационных электродов 6 и нагревательного элемента 7, связанные токопроводящими дорожками 8 с соответствующими элементами рабочей области 2. Диэлектрическая подложка 1 выполнена из -модификации анодного оксида алюминия, обладающей высокими электрическими и механическими свойствами, а ее пористая структура позволяет путем травления создавать сквозные отверстия произвольной формы с микронной точностью 3. Токопроводящие тонкопленочные элементы сформированы вакуумным напылением. Пленки газочувствительного материала 5 получены путем термического окисления пленок металла, предварительно нанесенных вакуумным напылением при значениях температур, при которых возможно образование двухфазного окисла с равным соотношением фаз. Состав полученной смеси оксидов (23) зависит от температуры прокаливания, что позволяет получить несколько газочувствительных материалов с отличающимися свойствами. Окисление осуществлено с помощью встроенного нагревателя 9. Как установлено экспериментом, оптимальное соотношение смеси оксидов (406023),позволяющее обеспечить высокую чувствительность к компонентам газовой среды (,4), обеспечивается при рабочей температуре 550 С. При подаче рабочего напряжения на нагреватель 9 происходит разогрев локализованной рабочей области 2 до заданной рабочей температуры. Проводится серия измерений значений электрического сопротивления атм пленки газочувствительного материала 5 рабочей области 2 в чистом воздухе с помощью внешней измерительной схемы и встречноштыревой системы информационных электродов 4. После стабилизации значений электрического сопротивления полученные результаты составляют базовые линии (опорный сигнал) сенсора. Под воздействием анализируемой смеси газов, включающей компоненты, к которым чувствительны использованные окислы железа, происходит изменение электрического сопротивления пленки газочувствительного материала 5 вследствие адсорбции молекул газов ее поверхностью. По истечении времени отклика сопротивление см пленки газочувствительного материала 5 в рабочей области 2 достигает стабильного значения. Ана 3 101872014.06.30 литический сигналот пленки газочувствительного материала 5 определяется как отношение его сопротивления в газовой смеси к базовой линиисм/атм. С помощью концентрационных и температурных зависимостей чувствительности(,) сенсора и данных измерений определяется концентрация соответствующих детектируемых газов в анализируемой смеси. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4